(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼室内に噴射してこの噴射燃料を圧縮着火せしめるようにした内燃機関において、燃焼室内に噴射される燃料として酸素を含有した燃料を用い、機関排気通路内に三元触媒と空燃比センサとを配置し、空燃比センサの出力信号に基づいて燃焼室内における平均空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段を具備した筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
機関排気通路から機関吸気通路内へ再循環される再循環排気ガス量を制御する再循環排気ガス量制御手段を具備し、機関負荷が低くなるほど再循環排気ガス量を増大させるようにした請求項１に記載の筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項３】
機関吸気通路内にスロットル弁を配置し、機関負荷が低くなるほどスロットル弁開度を小さくするようにした請求項２に記載の筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
上記空燃比フィードバック制御手段は燃料噴射量を制御することによって燃焼室内における空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する請求項１に記載の筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項５】
機関排気通路から機関吸気通路内へ再循環される再循環排気ガス量を制御する再循環排気ガス量制御手段を具備し、上記空燃比フィードバック制御手段は再循環排気ガス量を制御することによって燃焼室内における空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する請求項１に記載の筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項６】
機関排気通路内に上記三元触媒に加え、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯX 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のときには吸収したＮＯX を放出するＮＯX 吸収剤を配置した請求項１に記載の筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項７】
燃焼室内における平均空燃比が理論空燃比か又はリーン空燃比とされる請求項６に記載の筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項８】
上記ＮＯX 吸収剤を三元触媒の上流に配置した請求項６に記載の筒内噴射式圧縮着火内燃機関。
【請求項９】
機関排気通路から機関吸気通路内へ再循環される再循環排気ガス量を制御する再循環排気ガス量制御手段を具備し、ＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出すべく燃焼室内における平均空燃比をリーンからリッチに切換えるときに再循環排気ガス量を増大させる請求項６に記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項１０】
機関吸気通路内にスロットル弁を配置し、ＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出すべく燃焼室内における平均空燃比をリーンからリッチに切換えるときにスロットル弁の開度を小さくする請求項６に記載の圧縮着火内燃機関。
【請求項１１】
ＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出すべく燃焼室内における平均空燃比をリーンからリッチに切換えるときに燃料噴射量を増量する請求項６に記載の圧縮着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において高出力を得るためには燃焼室内における平均空燃比を理論空燃比にすることが好ましく、このことはディーゼル機関についても同じである。しかしながら燃焼室内に直接燃料を噴射するようにしたディーゼル機関において燃焼室内における平均空燃比を理論空燃比にすると燃料噴霧が極度に過濃となり、多量のすすが発生することになる。従って従来よりディーゼル機関においては燃焼室内における空燃比は理論空燃比にすることができず、燃焼室内は空気が過剰の状態とされる（例えば実開昭６２−５６７４３号公報参照）。
【０００３】
なお、吸気通路内に燃料を噴射した場合には噴射燃料が燃焼室内に均一に分散するので燃焼室内における平均空燃比を理論空燃比にしてもすすを発生することはないがこの場合には爆発的な燃焼を生ずることになるのでこのような方法は採用することができない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って従来よりディーゼル機関においては空気が過剰の状態で燃焼させざるを得ず、斯くして機関出力を向上しえないという問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題点を解決するために、燃料を燃焼室内に噴射してこの噴射燃料を圧縮着火せしめるようにした内燃機関において、燃焼室内に噴射される燃料として酸素を含有した燃料を用い、機関排気通路内に三元触媒と空燃比センサとを配置し、空燃比センサの出力信号に基づいて燃焼室内における平均空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段を具備している。即ち、燃料内に酸素が含まれているのですすを発生することなく燃焼室内における平均空燃比を理論空燃比にフィードバック制御することができ、それによって、排気ガス中のＮＯX ，ＨＣ，ＣＯを三元触媒によって浄化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、１は筒内噴射式圧縮着火機関本体、２はピストン、３は燃焼室、４は燃焼室３内に向けて燃料を直接噴射するための燃料噴射弁、５は吸気弁、６は吸気ポート、７は排気弁、８は排気ポートを夫々示す。吸気ポート６は対応する吸気枝管９を介してサージタンク１０に連結され、サージタンク１０は吸気ダクト１１を介してエアクリーナ１２に連結される。吸気ダクト１１内には駆動モータ１３によって開閉制御されるスロットル弁１４が配置される。一方、排気ポート８は排気マニホルド１５および排気管１６を介して三元触媒１７を内蔵した触媒コンバータ１８に連結される。
【００１７】
排気マニホルド１５とサージタンク１０とは再循環排気ガス（以下、ＥＧＲと称す）通路１９によって互いに連結され、このＥＧＲ通路１９内に排気マニホルド１５からサージタンク１０内に再循環されるＥＧＲガス量を制御するためのＥＧＲ制御弁２０が配置される。一方、燃料噴射弁４は機関駆動の燃料噴射ポンプ２１に連結され、燃料噴射ポンプ２１から吐出された燃料が燃料噴射弁４に供給される。この燃料噴射ポンプ２１は電子制御ユニット３０の出力信号に基づいて吐出量が制御され、従って電子制御ユニット３０の出力信号に基づいて燃料噴射弁４からの噴射量が制御される。
【００１８】
電子制御ユニット３０はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって相互に接続された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。排気マニホルド１５内には排気ガス中の酸素濃度から燃焼室３内の平均空燃比を検出する空燃比センサ（以下Ｏ2 センサと称す）２２が配置され、このＯ2 センサ２２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、アクセルペダル２３はアクセルペダル２３の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２４に接続され、この負荷センサ２４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には機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ２５が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して夫々駆動モータ１３、ＥＧＲ制御弁２０および燃料噴射ポンプ２１に接続される。
【００１９】
図１に示される実施例では燃料噴射弁４から燃焼室３内に噴射される燃料として酸素を含有した燃料が用いられ、更に燃焼室３内における平均空燃比がほぼ理論空燃比に維持される。この場合、酸素を含有した燃料としては分子自体が酸素原子を含んでいる燃料、或いは酸素を含んだ添加剤を添加することによって得られた燃料のいずれの燃料も使用することができる。いずれの燃料を用いた場合であっても燃料噴射弁４から噴射される燃料内に酸素が含まれていることになる。
【００２０】
図２（Ａ）は機関回転数を一定としたときの酸素を含有した燃料の噴射量Ｑとアクセルペダル２３の踏込み量Ｌとの関係を示している。図２（Ａ）に示されるように燃料噴射量Ｑはアクセルペダル２３の踏込み量Ｌが増大するほど、即ち機関負荷が高くなるほど増大する。なお、実際には燃料噴射量Ｑはアクセルペダル２３の踏込み量Ｌばかりではなく機関回転数Ｎの関数でもあり、従ってこの燃料噴射量Ｑは図３（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２１】
一方、燃焼室３内における平均空燃比をほぼ理論空燃比にするには機関負荷が低くなるほどＥＧＲガスの再循環量を増大して燃焼室３内に供給される吸入空気量を減少させる方法があり、また機関負荷が低くなるほどスロットル弁１４の開度を小さくして燃焼室３内に供給される吸入空気量を減少させる方法がある。更に、これらの方法を同時に行う方法もある。図２（Ｂ）はこれらの方法を同時に行った場合を示している。この場合には図２（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル２３の踏込み量Ｌが小さくなるにつれてＥＧＲ制御弁２０の開度が増大せしめられ、即ちＥＧＲガス量が増大せしめられ、同時にスロットル弁１４の開度が小さくされる。なお、実際にはＥＧＲ制御弁２０の開度およびスロットル弁１４の開度はアクセルペダル２３の踏込み量Ｌばかりではなく機関回転数Ｎの関数でもあり、従って、これらＥＧＲ制御弁１４の開度Ｇおよびスロットル弁１４の開度Θは夫々図３（Ｂ）および（Ｃ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２２】
従ってアクセルペダル２３の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに基づいて図３（Ａ）に示す値を燃料噴射量Ｑとし、図３（Ｂ）に示す値をＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇとし、図３（Ｃ）に示す値をスロットル弁１４の開度Θとすると燃焼室３内の平均空燃比はほぼ理論空燃比となる。この場合、もし燃料内に酸素が含まれていないとすると燃料噴射弁４から噴射された燃料の噴霧領域内は極度に過濃となり、斯くして多量のすすが発生することになる。しかしながら本発明では燃料内に酸素が含まれているので燃料噴霧内には酸素が均一に分散しており、斯くして各燃料粒子は十分な酸素の存在下で燃焼せしめられるのですすの発生を伴わない良好な燃焼を得ることができる。なお、図３（Ｂ）に示すＥＧＲ制御弁２０の開度Ｃおよび図３（Ｃ）に示すスロットル弁１４の開度Θは無論のこと燃料内に含まれている酸素量を考慮した上で燃焼室３内における空燃比が理論空燃比となるように定められている。
【００２３】
このように図１に示される実施例では燃焼室３内における空燃比をほぼ理論空燃比に維持することができるので機関高出力を得ることができることになる。
ところで、燃料内に含まれている酸素の含有量が予め目標としている含有量と異なっている場合には図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すマップからＱ，Ｇ，Θを定めると燃焼室３内における平均空燃比が理論空燃比に対してずれてしまうことになる。そこで図１に示される実施例では燃焼室３内における平均空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量Ｑ又はＥＧＲガス量をＯ2 センサ２２の出力信号に基づいてフィードバック制御するようにしている。なお、このようにフィードバック制御を行うと三元触媒１７によるＮＯX ，ＨＣ，ＣＯの浄化作用を高めることができる。
【００２４】
次にこのフィードバック制御について説明する。Ｏ2 センサ２２は燃焼室３内における平均空燃比がリーンのときには図４に示されるように０．１（Ｖ）程度の出力電圧Ｖを発生し、燃焼室３内における平均空燃比がリッチのときには０．９（Ｖ）程度の出力電圧Ｖを発生する。燃料噴射量Ｑをフィードバック制御する場合には燃料噴射量Ｑがフィードバック補正係数ＦＡＦによって補正され、このフィードバック補正係数ＦＡＦは図４に示されるようにＯ2 センサ２２の出力電圧Ｖに基づいて制御される。
【００２５】
図５はＯ2 センサ２２の出力電圧Ｖに基づいて行われるフィードバック補正係数ＦＡＦの制御ルーチンを示しており、このルーチンは一時間毎の割込みによって実行される。
図５を参照するとまず初めにステップ１００においてＯ2 センサ２２の出力電圧Ｖが基準値Ｖｒ（図４）よりも高いか否かが判別される。Ｖ＞Ｖｒのとき、即ちリッチのときにはステップ１０１に進んで前回の割込み時にリーンであったか否かが判別される。前回の割込み時にリーンであったときにはステップ１０２に進んでフィードバック補正係数ＦＡＦからスキップ値Ｓが減算される。これに対して前回の割込み時にリッチであったときにはステップ１０３に進んでＦＡＦから積分値Ｋ（Ｋ≪Ｓ）が減算される。従って図４に示されるようにリーンからリッチになるとＦＡＦはスキップ値Ｓだけ急激に減少せしめられ、次いで徐々に減少せしめられる。
【００２６】
一方、ステップ１００においてＶ≦Ｖｒであると判別されたとき、即ちリーンであると判別されたときにはステップ１０４に進んで前回の割込み時にリッチであったか否かが判別される。前回の割込み時にリッチであったときにはステップ１０５に進んでＦＡＦにスキップ値Ｓが加算される。これに対して前回の割込み時にリーンであったときにはステップ１０６に進んでＦＡＦに積分値Ｋが加算される。従って図４に示されるようにリッチからリーンになるとＦＡＦはスキップ値Ｓだけ急激に増大せしめられ、次いで徐々に増大せしめられる。
【００２７】
図６は機関の運転を制御するためのルーチンを示しており、このルーチンは繰返し実行される。
図６を参照するとまず初めにステップ１５０において図３（Ａ）に示すマップから燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ１５１では図３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇが算出され、ＥＧＲ制御弁２０の開度がこの開度Ｇに制御される。次いでステップ１５２では図３（Ｃ）に示すマップからスロットル弁１４の開度Θが算出され、スロットル弁１４がこの開度Θとなるように駆動モータ１３が駆動される。次いでステップ１５３では燃料噴射量Ｑにフィードバック補正係数ＦＡＦを乗算することによって最終的な燃料噴射量Ｑが求められ、この噴射量Ｑを噴射しうるように燃料噴射ポンプ２１が制御される。
【００２８】
図７は燃焼室３内における平均空燃比が理論空燃比となるようにＥＧＲガス量を制御する場合の運転制御ルーチンを示している。なお、この場合にもフィードバック補正係数ＦＡＦを算出するために図５に示すルーチンが用いられる。
図７を参照するとまず初めにステップ２００において図３（Ａ）に示すマップから燃料噴射量Ｑが算出され、この噴射量Ｑを噴射しうるように燃料噴射ポンプ２１が制御される。次いでステップ２０１では図３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇが算出される。次いでステップ２０２では図３（Ｃ）に示すマップからスロットル弁１４の開度Θが算出され、スロットル弁１４がこの開度Θとなるように駆動モータ１３が駆動される。次いでステップ２０３ではＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇにフィードバック補正係数ＦＡＦを乗算することによって最終的なＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇが求められ、ＥＧＲ制御弁２０の開度がこの開度Ｇに制御される。
【００２９】
図８から図１８に別の実施例を示す。前述したように酸素を含有した燃料を用いると空燃比を理論空燃比に維持してもすすの発生を伴なわない良好な燃焼を得ることができる。ところが筒内噴射式圧縮着火内燃機関の型式によっては軽負荷運転時および高負荷運転時に空燃比を理論空燃比に維持すると問題を生ずる場合がある。即ち、軽負荷運転時には多量のＥＧＲガスが再循環せしめられるので燃焼室３内の空気量が少なく、従ってこのとき空燃比を理論空燃比に維持すると酸素を含有した燃料を用いたとしても空気不足のために燃焼が不安定となる。
【００３０】
また、噴射量の多い高負荷運転時には噴射燃料の不均一な分散により燃焼室３内に過濃な混合気領域が形成され、従ってこのとき空燃比を理論空燃比に維持すると酸素を含有した燃料を用いたとしても空気不足のためにすすが発生する。従ってこのような型式の圧縮着火内燃機関では軽負荷運転時および高負荷運転時には空燃比をリーンにする必要があり、図８から図１８はこのような型式の圧縮着火内燃機関に適した実施例を示している。
【００３１】
まず初めに図８を参照するとこの実施例では三元触媒１７を内蔵した触媒コンバータ１８上流の機関排気通路内にＮＯX 吸収剤２６を内蔵したケーシング２７が配置される。
図９はアクセルペダル２３の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎと目標空気過剰率λ、即ち目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 との関係を示している。図９に示されるように機関中速中負荷運転時には目標空気過剰率λが１．０とされ、即ち目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 が理論空燃比とされ、その他の領域では目標空気過剰率λが１．０よりも大きくされ、即ち目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 がリーンとされる。
【００３２】
一方、空気過剰率λを図９に示される目標空気過剰率に維持するには、即ち燃焼室３内における平均空燃比を目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 に維持するには機関負荷が低くなるほどＥＧＲガスの再循環量を増大して燃焼室３内に供給される吸入空気量を減少させる方法があり、また機関負荷が低くなるほどスロットル弁１４の開度を小さくして燃焼室３内に供給される吸入空気量を減少させる方法がある。更に、これらの方法を同時に行う方法もある。図１０の実線はこれらの方法を同時に行った場合を示している。この場合には図１０の実線に示されるようにアクセルペダル２３の踏込み量Ｌが小さくなるにつれてＥＧＲ制御弁２０の開度が増大せしめられ、即ちＥＧＲガス量が増大せしめられ、同時にスロットル弁１４の開度が小さくされる。なお、実際にはＥＧＲ制御弁２０の開度およびスロットル弁１４の開度はアクセルペダル２３の踏込み量Ｌばかりではなく機関回転数Ｎの関数でもあり、従って、これらＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇおよびスロットル弁１４の開度Θは夫々図１１（Ａ）および（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００３３】
従ってアクセルペダル２３の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに基づいて図３（Ａ）に示す値を燃料噴射量Ｑとし、図１１（Ａ）に示す値をＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇとし、図１１（Ｂ）に示す値をスロットル弁１４の開度Θとすると燃焼室３内の平均空燃比は目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 となる。なお、図１１（Ａ）に示すＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇおよび図１１（Ｂ）に示すスロットル弁１４の開度Θは無論のこと燃料内に含まれている酸素量を考慮した上で燃焼室３内における空燃比が目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 となるように定められている。
【００３４】
ところで、燃料内に含まれている酸素の含有量が予め目標としている含有量と異なっている場合には図３（Ａ）および図１１（Ａ），（Ｂ）に示すマップからＱ，Ｇ，Θを定めると燃焼室３内における平均空燃比が目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 に対してずれてしまうことになる。そこでこの実施例においても燃焼室３内における平均空燃比が目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 となるように燃料噴射量Ｑを空燃比センサ２２の出力信号に基づいてフィードバック制御するようにしている。
【００３５】
次にこのフィードバック制御について簡単に説明する。図８に示される空燃比センサ２２は図１に示されるＯ2 センサ２２と異なる特性を有しており、図１２は図８に示される空燃比センサ２２の出力電圧Ｖと燃焼室３内における平均空燃比Ａ／Ｆとの関係を示している。図１２から図８に示される空燃比センサ２２を用いると燃焼室３内における平均空燃比Ａ／Ｆを検出できることがわかる。図８に示される実施例では、空燃比センサ２２により検出された平均空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 よりも大きいときには燃料噴射量Ｑが増量され、空燃比センサ２２により検出された平均空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 よりも小さいときには燃料噴射量Ｑが減量され、それによって平均空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 に制御される。
【００３６】
即ち、この実施例では機関中速中負荷運転時には平均空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比となるようにフィードバック制御される。このとき排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯX は三元触媒１７によって良好に浄化せしめられる。一方、機関中速中負荷運転時以外の運転状態のときには平均空燃比Ａ／Ｆが目標リーン空燃比（Ａ／Ｆ）0 にフィードバック制御される。平均空燃比Ａ／Ｆがリーンに維持されると多量のＮＯX が発生するがこのＮＯX はＮＯX 吸収剤２６に吸収される。そこで次にこのＮＯX 吸収剤２６について説明する。
【００３７】
ケーシング２７内に収容されているＮＯX 吸収剤２６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くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室３およびＮＯX 吸収剤２６上流の排気通路内に供給された空気および燃料の比をＮＯX 吸収剤２６への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯX 吸収剤２６は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯX を吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用を行う。なお、ＮＯX 吸収剤２６上流の排気通路内に燃料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３内における平均空燃比に一致し、従ってこの場合にはＮＯX 吸収剤２６は燃焼室３内における平均空燃比がリーンのときにはＮＯX を吸収し、燃焼室３内における酸素濃度が低下すると吸収したＮＯX を放出することになる。
【００３８】
上述のＮＯX 吸収剤２６を機関排気通路内に配置すればこのＮＯX 吸収剤２６は実際にＮＯX の吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図１３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。
【００３９】
燃焼室３内における平均空燃比Ａ／Ｆがリーンに維持されているときには流入排気ガス中の酸素濃度が高く、従ってこのとき図１３（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ2 がＯ2 - 又はＯ2-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Ｏ2-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１３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯX がＮＯX 吸収剤２６内に吸収される。
【００４０】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ2 が生成され、吸収剤のＮＯX 吸収能力が飽和しない限りＮＯ2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3 - が生成される。これに対して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。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下するとＮＯX 吸収剤２６からＮＯX が放出されることになる。流入排気ガスのリーンの度合が低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従って流入排気ガスのリーンの度合を低くすればたとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであってもＮＯX 吸収剤２６からＮＯX が放出されることになる。
【００４１】
一方、このとき燃焼室３内における平均空燃比がリッチにされて流入排気ガスの空燃比がリッチになると機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ2 - 又はＯ2-と反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガスの空燃比がリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するために吸収剤からＮＯ2 が放出され、このＮＯ2 は図１３（Ｂ）に示されるように未燃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をリッチにすると短時間のうちにＮＯX 吸収剤２６からＮＯX が放出されることになる。
【００４２】
即ち、流入排気ガスの空燃比をリッチにするとまず始めに未燃ＨＣ，ＣＯが白金Ｐｔ上のＯ2 - 又はＯ2-とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上のＯ2 - 又はＯ2-が消費されてもまだ未燃ＨＣ，ＣＯが残っていればこの未燃ＨＣ，ＣＯによって吸収剤から放出されたＮＯX および機関から排出されたＮＯX が還元せしめられる。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間のうちにＮＯX 吸収剤２６に吸収されているＮＯX が放出され、しかもこの放出されたＮＯX が還元されるために大気中にＮＯX が排出されるのを阻止することができることになる。また、ＮＯX 吸収剤２６は還元触媒の機能を有しているので流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯX 吸収剤２６から放出されたＮＯX が還元せしめられる。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にした場合にはＮＯX 吸収剤２６からＮＯX が徐々にしか放出されないためにＮＯX 吸収剤２６に吸収されている全ＮＯX を放出させるには若干長い時間を要する。
【００４３】
上述したように燃焼室３内における平均空燃比Ａ／Ｆがリーンに維持されているとＮＯX がＮＯX 吸収剤２６に吸収され続ける。しかしながらＮＯX 吸収剤２６のＮＯX 吸収能力には限度があり、ＮＯX 吸収剤２６のＮＯX 吸収能力が飽和すればＮＯX 吸収剤２６はもはやＮＯX を吸収しえなくなる。従ってＮＯX 吸収剤２６のＮＯX 吸収能力が飽和する前にＮＯX 吸収剤２６からＮＯX を放出させる必要があり、そのためにはＮＯX 吸収剤２６にどの程度のＮＯX が吸収されているかを推定する必要がある。次にこのＮＯX 吸収量の推定方法について簡単に説明する。
【００４４】
燃焼室３内における平均空燃比がリーンに維持せしめられているときには機関負荷が高くなるほど単位時間当り機関から排出されるＮＯX 量が増大するために単位時間当りＮＯX 吸収剤２６に吸収されるＮＯX 量が増大し、また機関回転数が高くなるほど単位時間当り機関から排出されるＮＯX 量が増大するために単位時間当りＮＯX 吸収剤２６に吸収されるＮＯX が増大する。従って単位時間当りＮＯX 吸収剤２６に吸収されるＮＯX 量は機関負荷と機関回転数の関数となる。従って図８に示される実施例では単位時間当りＮＯX 吸収剤２６に吸収されるＮＯX 量Ａをアクセルペダル２３の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として予め実験により求め、このＮＯX 量ＡがＬおよびＮの関数として図１４（Ａ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００４５】
一方、平均空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比又はリッチになるとＮＯX 吸収剤２６からＮＯX が放出される。このとき単位時間当りＮＯX 吸収剤２６から放出されるＮＯX 放出量Ｄは排気ガス量に比例し、平均空燃比Ａ／Ｆのリッチの度合に比例する。この場合、排気ガス量はアクセルペダル２３の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、従ってＮＯX 放出量Ｄもアクセルペダル２３の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数となる。このＮＯX 放出量Ｄは図１４（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。一方、平均空燃比Ａ／Ｆのリッチの度合が高くなると図１４（Ｃ）に示されるようにＮＯX 放出率Ｋが高くなり、従ってこのＮＯX 放出率Ｋを考慮すると単位時間当りのＮＯX 放出量はＫ・Ｄで表わされることになる。
このように単位時間当りのＮＯX 吸収量がＡで表わされ、単位時間当りのＮＯX 放出量がＫ・Ｄで表されるのでＮＯX 吸収剤２６に吸収されていると推定されるＮＯX 量ΣＮＯX は次式で表わされることになる。
【００４６】
ΣＮＯX ＝ΣＮＯX ＋Ａ−Ｋ・Ｄ
図１５にこの推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX の変化を示す。図１５に示されるように平均空燃比Ａ／Ｆがリーンのときには推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX は徐々に増大し、平均空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比に維持されると推定ＮＯX 吸収量ΣＮＯX は徐々に減少する。また、推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX が予め定められた上限値ＭＡＸを越えたときには平均空燃比Ａ／Ｆが一時的にスパイク状にリッチにされ、それによってＮＯX 吸収剤２６からＮＯX を放出させるようにしている。
【００４７】
このように図８に示される実施例ではＮＯX 吸収剤２６からＮＯX を放出させるべきときには燃焼室３内における平均空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。しかしながら本発明では燃料内に酸素が含まれているので燃料噴霧内には酸素が均一に分散しており、従って各燃料粒子は多量な酸素の存在下で燃焼せしめられるので少量のすすしか発生しないことになる。即ち、このように酸素を含有した燃料を用いることによって燃焼室３内における平均空燃比をリッチにすることが初めて可能となる。
【００４８】
ところで燃焼室３内における平均空燃比をリッチにするのに燃料噴射量だけを制御して平均空燃比をリッチにすると、即ち燃料噴射量を増量することのみによって平均空燃比をリッチにすると出力トルクが急激に増大してショックが発生する。そこで図８に示される実施例ではＥＧＲ制御弁２０の開度を大きくすると共にスロットル弁１４の開度を小さくし、更に燃料噴射量を増量することによって平均空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。図１６はこのときの平均空燃比Ａ／Ｆ等の変化を示している。なお、図１０の鎖線はこのときのＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇ′およびスロットル弁１４の開度Θ′を示している。
【００４９】
図１７および図１８は機関の運転制御ルーチンを示しており、このルーチンは例えば一定時間毎の割込みによって実行される。
図１７および図１８を参照すると、まず初めにステップ２５０において図３（Ａ）に示すマップから燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ２５１ではＮＯX 吸収剤２６からＮＯX を放出すべきときにセットされるＮＯX 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯX 放出フラグがセットされていないときにはステップ２５２に進んで図１１（Ａ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇが算出され、次いでステップ２５３において図１１（Ｂ）に示すマップからスロットル弁１４の開度Θが算出される。
【００５０】
次いでステップ２５４では空燃比センサ２２により検出された燃焼室３内における平均空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 よりも大きいか否かが判別される。Ａ／Ｆ＞（Ａ／Ｆ）0 のときにはステップ２５５に進んでフィードバック補正係数ＦＡＦに一定値Ｋが加算され、次いでステップ２５７に進む。これに対してＡ／Ｆ≦（Ａ／Ｆ）0 のときにはステップ２５６に進んでフィードバック補正係数ＦＡＦから一定値Ｋが減算され、次いでステップ２５７に進む。ステップ２５７では燃料噴射量Ｑにフィードバック補正係数ＦＡＦを乗算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝ＦＡＦ・Ｑ）が算出される。即ち、Ａ／Ｆ＞（Ａ／Ｆ）0 になれば燃料噴射量Ｑが増量せしめられ、Ａ／Ｆ≦（Ａ／Ｆ）0 になれば燃料噴射量Ｑが減量せしめられ、それによって平均空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 に維持される。なお、ＦＡＦは１．０を中心として上下動している。
【００５１】
次いでステップ２５８では目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 が理論空燃比であるか否かが判別される。目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 が理論空燃比でないとき、即ち目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 がリーンのときにはステップ２５９に進んで図１４（Ａ）のマップに示されるＮＯX 吸収量Ａが推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX に加算され、次いでステップ２６３に進む。これに対して目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 が理論空燃比のときにはステップ２６０に進んで図１４（Ｂ）のマップから求められたＮＯX 放出量Ｄと図１４（Ｃ）に示されるＮＯX 放出率Ｋとの積Ｋ・Ｄが推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX から減算される。次いでステップ２６１では推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX が負になったか否かが判別され、ΣＮＯX ＜０になったときにはステップ２６２に進んでΣＮＯX を零とした後にステップ２６３に進む。
【００５２】
ステップ２６３では推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX が上限値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯX ≦ＭＡＸのときには処理サイクルを完了する。これに対してΣＮＯX ＞ＭＡＸになるとステップ２６４に進んでＮＯX 放出フラグがセットされる。ＮＯX 放出フラグがセットされると次の処理サイクルにおいてステップ２５１からステップ２６５に進み、ＮＯX 吸収剤２６からのＮＯX 放出制御が行われる。
【００５３】
即ち、ステップ２６５では図１０に示されるＥＧＲ制御弁２０の開度Ｇ′が算出され、ＥＧＲ制御弁２０がこの開度Ｇ′まで開弁せしめられる。次いでステップ２６６では図１０に示されるスロットル弁１４の開度Θ′が算出され、スロットル弁１４がこの開度Θ′まで閉弁せしめられる。次いでステップ２６７ではＥＧＲ制御弁２０の開弁動作およびスロットル弁１４の閉弁動作が開始されてから一定時間経過したか否かが判別される。一定時間経過したときにはステップ２６８に進む。
【００５４】
ステップ２６８では燃料噴射量ＱがΔＱだけ増量せしめられ、それによって平均空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。次いでステップ２６９では図１４（Ｂ）から求められたＮＯX 放出量Ｄと平均空燃比（１４．７・Ｑ／（Ｑ＋ΔＱ））に基き図１４（Ｃ）から求められたＮＯX 放出率Ｋとの積Ｋ・Ｄが推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX から減算される。次いでステップ２７０では推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX が負になったか否かが判別される。ΣＮＯX ＜０になったら即ちＮＯX 吸収剤２６から全ＮＯX が放出されるとステップ２７１に進んで推定吸収量ΣＮＯX が零とされ、次いでステップ２７２に進んでＮＯX 放出フラグがリセットされる。ＮＯX 放出フラグがリセットされると次の処理サイクルにおいてＥＧＲ制御弁２０は開度Ｇまで閉弁せしめられ、スロットル弁１４は開度Θまで開弁せしめられる。
【００５５】
なお、図８に示される実施例では三元触媒１７の上流にＮＯX 吸収剤２６が配置されている。このように三元触媒１７の上流にＮＯX 吸収剤２６を配置するとＮＯX 吸収剤２６からのＮＯX 放出時にＮＯX 吸収剤２６内において還元しきれなかったＮＯX を三元触媒１７により還元できるという利点がある。
【００５６】
【発明の効果】
筒内噴射式圧縮着火内燃機関の機関出力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】燃料噴射量、ＥＧＲ制御弁開度およびスロットル弁開度を示す図である。
【図３】燃料噴射量等のマップを示す図である。
【図４】フィードバック補正係数ＦＡＦの変化を示す図である。
【図５】フィードバック補正係数を制御するためのフローチャートである。
【図６】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図７】機関の運転を制御するための別の実施例を示すフローチャートである。
【図８】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図９】空気過剰率λ、即ち目標空燃比（Ａ／Ｆ）0 を示す図である。
【図１０】ＥＧＲ制御弁とスロットル弁の開度を示す線図である。
【図１１】ＥＧＲ制御弁の開度Ｇとスロットル弁の開度Θのマップを示す図である。
【図１２】空燃比センサの出力を示す線図である。
【図１３】ＮＯX 吸収剤の吸放出作用を説明するための図である。
【図１４】ＮＯX 吸収量Ａのマップ等を示す図である。
【図１５】推定吸収ＮＯX 量ΣＮＯX の変化を示すタイムチャートである。
【図１６】ＮＯX 放出制御を示すタイムチャートである。
【図１７】運転制御を行うためのフローチャートである。
【図１８】運転制御を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
４…燃料噴射弁
１４…スロットル弁
１７…三元触媒
２０…ＥＧＲ制御弁
２２…空燃比センサ
２６…ＮＯX 吸収剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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