(57)【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、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ＮＯｘ  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ＮＯｘ  を放出するＮＯｘ  吸収剤を機関排気通路内に配置し、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に供給される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に供給される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を具備し、ＮＯｘ  吸収剤からＮＯｘ  を放出すべきときに前記ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガス中の酸素を消費して前記ＮＯｘ  吸収剤からのＮＯｘ  放出時の還元剤消費量を低減する酸素消費手段を設けたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
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に記載の内燃機関。
【請求項３】
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２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記酸素消費手段が酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ  吸収剤の少なくとも一つからなる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行うようにした請求項１に記載の内燃機関。
【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ＮＯｘ  の発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路により連結し、このＥＧＲ通路を介して排気ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、ＥＧＲガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、ＥＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘ  の発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大すればするほどＮＯｘ  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ＮＯｘ  の発生量を低下しうることはわかっている。しかしながらＥＧＲ率を増大させていくとＥＧＲ率が或る限度を越えたときに煤の発生量、即ちスモークが急激に増大し始める。この点に関し従来より、それ以上ＥＧＲ率を増大すればスモークが限りなく増大していくものと考えられており、従ってスモークが急激に増大し始めるＥＧＲ率がＥＧＲ率の最大許容限界であると考えられている。
【０００４】
従って従来よりＥＧＲ率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。このＥＧＲ率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ３０パーセントから５０パーセントである。従って従来のディーゼル機関ではＥＧＲ率は最大でも３０パーセントから５０パーセント程度に抑えられている。
【０００５】
このように従来ではＥＧＲ率に対して最大許容限界が存在すると考えられていたので従来よりＥＧＲ率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてＮＯｘ  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ＮＯｘ  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ＮＯｘ  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ＮＯｘ  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ＮＯｘ  の発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討が進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯｘ  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料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。これが新たな燃焼システムの基本的な考え方である。この新たな燃焼システムを採用した内燃機関については本出願人により既に出願されている（特願平９−３０５８５０号）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの新たな燃焼システムではＥＧＲ率をほぼ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比較的少ないとき、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。従って吸入空気量が一定限度を越えたときには従来より行われている燃焼に切換える必要がある。
【００１０】
従来より行われている燃焼に切り換えられた場合、機関からＮＯｘ  が少なからず放出される。また従来より行われている燃焼のもとでは空気過剰のもとで燃焼が行われている。従って上記内燃機関では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ＮＯｘ  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ＮＯｘ  を放出するＮＯｘ  吸収剤を機関排気通路に配置し、ＮＯｘ  が大気に放出されることを防止している。
【００１１】
上記内燃機関ではＮＯｘ  を放出させ還元すべきときには新たな燃焼のもとで空燃比をリッチとし、ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチとし、ＮＯｘ  を放出させ還元している。新たな燃焼は理論空燃比又はわずかばかりのリーンで行われているため空燃比をリッチとするために増量すべき燃料の量は非常に少なくてすむ。
【００１２】
しかしながらＮＯｘ  を放出させ還元すべきときに新たな燃焼が行われていない時、即ち従来の燃焼が行われている時には従来の燃焼のもとで空燃比をリッチとしなければならない。上述したように従来の燃焼のもとでは空気過剰、即ち酸素過剰のもとで燃焼が行われている。従ってＮＯｘ  を放出還元するためにＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスを還元雰囲気に保持するには、ＮＯｘ  の放出還元に必要燃料に加え、流入する排気ガス中の酸素を消費するのに必要な分の燃料を増量しなければならない。即ち燃費が悪化する。
【００１３】
本発明の目的は燃費を悪化せずにＮＯｘ  吸収剤から十分にＮＯｘ  を放出し還元できる内燃機関を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、１番目の発明では、燃焼室内に供給される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、燃焼室内に供給される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内燃機関において、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ＮＯｘ  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ＮＯｘ  を放出するＮＯｘ  吸収剤を機関排気通路内に配置し、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に供給される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に供給される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を具備し、ＮＯｘ  吸収剤からＮＯｘ  を放出すべきときに前記ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガス中の酸素を消費して前記ＮＯｘ  吸収剤からのＮＯｘ  放出時の還元剤消費量を低減する酸素消費手段を設ける。
【００１５】
即ちＮＯｘ  をＮＯｘ  吸収剤から放出すべき時に排気ガス中の酸素が消費され、ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガス中の酸素量が少なくされる。言い換えればＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスが還元雰囲気にせしめられる。
２番目の発明によれば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、上記不活性ガスが再循環排気ガスからなる。
【００１６】
３番目の発明によれば２番目の発明において、排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上である。
４番目の発明によれば１番目の発明において、前記酸素消費手段が酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ  吸収剤の少なくとも一つからなる。
５番目の発明によれば１番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行うようにする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を４ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３およびインタークーラ１４を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コンプレッサ１６の入口部は空気吸込管１７を介してエアクリーナ１８に連結され、空気吸込管１７内にはステップモータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置される。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。
【００１８】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド２２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２３の入口部に連結され、排気タービン２３の出口部は排気管２４を介して酸化機能を有する触媒２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結される。排気マニホルド２２内には空燃比センサ２７が配置される。
触媒コンバータ２６の出口部に連結された排気管２８とスロットル弁２０下流の空気吸込管１７とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２９内にはステップモータ３０により駆動されるＥＧＲ制御弁３１が配置される。また、ＥＧＲ通路２９内にはＥＧＲ通路２９内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのインタークーラ３２が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水がインタークーラ３２内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１９】
一方、燃料噴射弁６は燃料供給管３３を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３４に連結される。このコモンレール３４内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３５から燃料が供給され、コモンレール３４内に供給された燃料は各燃料供給管３３を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３４にはコモンレール３４内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３６が取付けられ、燃料圧センサ３６の出力信号に基づいてコモンレール３４内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３５の吐出量が制御される。
【００２０】
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および出力ポート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および燃料圧センサ３６の出力信号も夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。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。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および燃料ポンプ３５に接続される。
【００２１】
図２は機関低負荷運転時にスロットル弁２０の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図２の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，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ＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図２および図３に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときには図２に示されるように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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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およ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。
【００２８】
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から排出されるか、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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の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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
図５は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図５において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００３４】
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。
【００３５】
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。このような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。
【００３６】
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中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図６において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【００３７】
図６を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図６に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図６においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ５５パーセント以上であり、図６に示す実施例では７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入された全吸入ガス量を図６において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図６に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯｘ  発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ  前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯｘ  の発生量は極めて少量となる。
【００３８】
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。
【００３９】
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Ｌ０  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Ｌ０  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Ｌ０  よりも大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【００４０】
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Ｌ０  よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５５パーセント以上、例えば７０パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。即ち、空気吸込管１７内におけるＥＧＲ率が例えば７０パーセントになるようにＥＧＲガスを再循環させれば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６により昇圧された吸入ガスのＥＧＲ率も７０パーセントとなり、斯くしてコンプレッサ１６により昇圧しうる限度まで燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。要求負荷がＬ０  よりも大きい領域でＥＧＲ率を５５パーセント以上にする際にはＥＧＲ制御弁３１が全開せしめられ、スロットル弁２０が若干閉弁せしめられる。
【００４１】
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なくしても、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施例では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【００４５】
図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の運転領域ＩＩとを示している。なお、図７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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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後に詳述するパティキュレートフィルタ５３に捕集される。
図８は空燃比センサ２７の出力を示している。図８に示されるように空燃比センサ２７の出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサ２７の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００４９】
次に図９を参照しつつ第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域ＩＩにおける運転制御について概略的に説明する。
図９は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２０の開度、ＥＧＲ制御弁３１の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期および噴射量を示している。図９に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁２０の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから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。
【００５０】
言い換えると第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁２０の開度およびＥＧＲ制御弁３１の開度が制御される。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】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁２０は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁３１も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁２０を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁２０が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
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１５．５，１６，１７，１８であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１０（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。
【００５４】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。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例では要求負荷Ｌが低くなるにつれて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５５】
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および機関回転数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および機関回転数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３１の目標開度ＳＥが図１１（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００５６】
また、第１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および機関回転数Ｎに基づいて算出される。この燃料噴射量Ｑは図１２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ＲＯＭ４２内に記憶されている。
図１３（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１３（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２４，３５，４５，６０を示している。図１３（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図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ＲＯＭ４２内に記憶されている。また、空燃比を図１３（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１４（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ＲＯＭ４２内に記憶されており、空燃比を図１３（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１４（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ＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００５７】
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および機関回転数Ｎに基づいて算出される。この燃料噴射量Ｑは図１５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ＲＯＭ４２内に記憶されている。
一方、排気管２４には排気ガス中に含まれる煤や未燃炭化水素、可溶性有機成分（ＳＯＦ）等の微粒子（ディーゼルパティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタ５３が配置されている。
【００５８】
パティキュレートフィルタ５３は通常、セラミック等の耐熱性を有する濾材から形成され、排気中のパティキュレートを濾過、捕集する。従ってフィルタ５３内には時間と共に捕集されたパティキュレートが蓄積されるため、定期的に再生を行い捕集したパティキュレートを除去する必要がある。通常、このフィルタの再生はフィルタに捕集されたパティキュレートを着火温度（約６００℃）以上に加熱し、燃焼させることにより行う。前述のようにパティキュレートは煤や未燃炭化水素、ＳＯＦ等からなるため条件によっては燃焼によりＣＯ等の還元性のガスを発生する。本実施例ではＮＯｘ  吸収剤からのＮＯｘ  放出操作時に後に詳述するように排気温度をパティキュレート着火温度以上に上昇させてフィルタ５３に捕集したパティキュレートを燃焼させる。これにより排気ガス中の酸素がパティキュレート燃焼に消費され排気酸素濃度が低下すると共にパティキュレート燃焼によりＣＯ，ＣＯ２  等の還元性ガスが発生し、ＮＯｘ  吸収剤に供給される。
【００５９】
一方、図１においてケーシング２６内にはＮＯｘ  吸収剤２５が配置されている。ＮＯｘ  吸収剤２５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、燃焼室５およびＮＯｘ  吸収剤２５上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯｘ  吸収剤２５への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯｘ  吸収剤２５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、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘ  を放出するＮＯｘ  の吸放出作用を行う。
【００６０】
このＮＯｘ  吸収剤２５を機関排気通路内に配置すればＮＯｘ  吸収剤２５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１６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。
【００６１】
図１に示される圧縮着火式内燃機関では通常燃焼室５における空燃比がリーンの状態で燃焼が行われる。このように空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図１６（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１６（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２５内に吸収される。流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面で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。
【００６２】
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ＮＯ２  の形で吸収剤から放出される。このときＮＯｘ  吸収剤２５から放出されたＮＯｘ  は図１６（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ＮＯｘ  吸収剤２５から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  が排出されることはない。
【００６３】
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ＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  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ＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が徐々にしか放出されないためにＮＯｘ  吸収剤２５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。
【００６４】
上述したようにＮＯｘ  吸収剤２５は白金Ｐｔのような貴金属を含んでおり、従ってＮＯｘ  吸収剤２５は酸化機能を有している。一方、前述したように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。ところが上述した如くＮＯｘ  吸収剤２５は酸化機能を有しており、従ってこのとき燃焼室５から排出された未燃炭化水素はＮＯｘ  吸収剤２５により良好に酸化せしめられることになる。
【００６５】
ところでＮＯｘ  吸収剤２５のＮＯｘ  吸収能力には限界があり、ＮＯｘ  吸収剤２５のＮＯｘ  吸収能力が飽和する前にＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出させる必要がある。そのためにはＮＯｘ  吸収剤２５に吸収されているＮＯｘ  量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では第１の燃焼が行われているときの単位時間当りのＮＯｘ  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１７（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ＮＯｘ  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１７（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ＮＯｘ  吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯｘ  吸収剤２５に吸収されているＮＯｘ  量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００６６】
後に詳述するが本発明による実施例ではこのＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値ＭＡＸを越えたときにＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出させるようにしている。即ち、低温燃焼が行われているときにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには燃料噴射量が予め定められた増分Ｑａだけ増量され、燃焼室５内における空燃比が一時的にリッチとされ、それによってＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出される。予め定められた増分Ｑａは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに基づいて算出され、図１９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ＲＯＭ４２内に記憶されている。なお、前述したように低温燃焼が行われているときに空燃比がリッチとされても煤はほとんど発生しない。
【００６７】
一方、第２の燃焼が行われているときにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときにはこの増分Ｑｂの量はＮＯｘ  吸収剤２５に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように定められており、従って増分Ｑｂだけ増量された燃料が噴射されるとＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出されることになる。予め定められた増分Ｑｂは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに基づいて算出され、図２０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ＲＯＭ４２に記憶されている。
【００６８】
図１８はＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべきときにセットされるＮＯｘ  放出フラグの処理ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１８を参照するとまず初めにステップ１００において機関の運転領域が第１の運転領域Ｉであることを示すグラフ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１７（Ａ）に示すマップから単位時間当りのＮＯｘ  吸収量Ａが算出される。次いでステップ１０２ではＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ１０３ではＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値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に進んで予め定められた時間だけＮＯｘ  放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ１０５においてΣＮＯＸが零とされる。
【００６９】
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１０６に進んで図１７（Ｂ）に示すマップから単位時間当りのＮＯｘ  吸収量Ｂが算出される。次いでステップ１０７ではＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ１０８ではＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ１０９に進んで予め定められた時間だけＮＯｘ  放出フラグをセットする処理が行われ、次いでステップ１１０においてΣＮＯＸが零とされる。
【００７０】
次にＮＯｘ  吸収剤２５のＮＯｘ  放出還元操作を概略的に説明する。まず上述したＮＯｘ  放出フラグがセットされており、かつ機関の運転領域が第１の運転領域１にある時、即ち低温燃焼が行われている時にはＮＯｘ  吸収剤２５のＮＯｘ  放出還元操作実行のための条件（以下、第１実行条件）が成立しているか否かを判定する。第１実行条件は機関排気温度が所定値以上であることである。機関排気温度は排気管２４に取り付けられた排気温度センサ５６により検出される。排気温度センサ５６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に入力される。上記機関排気温度の所定値はＮＯｘ  吸収剤２５の温度がＮＯｘ  放出、還元のための活性温度以上になる温度とされる。
【００７１】
上記第１実行条件が成立している場合にはパティキュレートフィルタ５３の再生を実行する。即ち低温燃焼において燃焼室５内の空燃比が理論空燃比よりリッチとなるように燃料噴射量が図１９のマップから読み込まれた予め定められた増分Ｑａだけ増量され、機関排気温度をパティキュレート着火温度（約６００℃）以上に昇温させる。これによりパティキュレートフィルタ５３では捕集された排気微粒子の燃焼が開始される。燃焼室５内の空燃比が理論空燃比よりリッチとされると排気中の未燃ＨＣ，ＣＯ等の成分が増大する。またパティキュレートフィルタ５３に捕集された煤等の排気微粒子が燃焼を開始するため排気ガス中の酸素がこの燃焼により消費されて排気ガス中の酸素濃度が更に低下すると共に煤等の燃焼によりＣＯ等が発生するため、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ等の還元成分は更に増加し、ＮＯｘ  吸収剤２５でＮＯｘ  が放出され還元される条件が整う。
【００７２】
またＮＯｘ  吸収剤２５は温度が高い程吸収したＮＯｘ  を放出し易くなる特性を有し、一般的にはパティキュレートフィルタ５３の着火温度である６００℃以上ではＮＯｘ  放出速度が極めて大きくなる。従って本実施例のようにパティキュレートフィルタ５３の燃焼再生と同時にＮＯｘ  吸収剤２５からのＮＯｘ  放出還元を実行することにより短時間でＮＯｘ  吸収剤２５からのＮＯｘ  の放出と還元とを完了することができる。
【００７３】
なお第１実行条件が成立していない場合またはＮＯｘ  放出還元操作実行中に第１実行条件が成立しなくなった場合には、機関運転は理論空燃比または理論空燃比よりわずかばかりリーンでの低温燃焼に復帰する。
このように本実施例では機関の運転領域が第１の運転領域Ｉにある時にパティキュレートフィルタ５３の再生操作によりＮＯｘ  吸収剤２５でのＮＯｘ  放出、還元を開始させるようにしたことにより、（１）ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度低減と、（２）排気ガス中のＣＯ，ＨＣ等の還元成分増大と、（３）排気温度上昇によるＮＯｘ  放出還元時間の短縮とを同時に達成している。
【００７４】
一方、上記ＮＯｘ  放出フラグがセットされており、かつ機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩにあるときにはＮＯｘ  吸収剤２５のＮＯｘ  放出還元操作実行のための条件（以下、第２実行条件）が成立しているか否かを判定する。第２実行条件は（１）機関排気温度が所定値以上であること、（２）車両が減速運転中であることである。（１）の条件は上記第１実行条件と同様である。また上記（２）の車両減速中であることの判断は機関回転数が所定値以上であり、かつアクセル開度が全閉であることに基づいて行われる。ＮＯｘ  放出還元操作を車両減速運転中にのみ行うのは、後述のように放出還元時にはスロットル弁２０を閉じて機関吸気を絞る必要があるため、これによりトルクショックが生じることを防止するためである。
【００７５】
上記第２実行条件が成立している場合にはパティキュレートフィルタ５３の再生を実行する。即ちスロットル弁２０を閉弁して燃焼室５内への吸入空気量を低下させると共に燃料噴射量が図２０のマップから読み込まれた予め定められた増分Ｑｂだけ増量され、機関排気温度をパティキュレート着火温度（約６００℃）以上に昇温させる。これによりパティキュレートフィルタ５３では捕集された排気微粒子の燃焼が開始される。機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩにある時、即ち従来の燃焼が実行されている時の排気空燃比は大幅なリーンであるがスロットル弁閉弁による吸入空気量の低下と燃料噴射量との増量とを行うことにより排気空燃比はリッチ側に移行し、排気中の未燃ＨＣ，ＣＯ等の成分が大幅に増大する。また上記によりパティキュレートフィルタ５３に捕集された煤等の排気微粒子が燃焼を開始するため排気ガス中の酸素がこの燃焼により消費されて排気ガス中の酸素濃度が更に低下すると共に煤等の燃焼によりＣＯ等が発生するため、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ等の還元成分は更に増加し、ＮＯｘ  吸収剤２５でＮＯｘ  放出、還元の条件が整う。
【００７６】
なお第２実行条件が成立していない場合またはＮＯｘ  放出還元操作実行中に第２実行条件が成立しなくなった場合には、スロットル弁８０の開弁と燃料噴射増量の中止が行われ、機関の運転領域が通常の第２の運転領域ＩＩに復帰する。このように本実施例では機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩにあるときにおいてもパティキュレートフィルタ５３の再生操作によりＮＯｘ  吸収剤２５でのＮＯｘ  放出、還元を開始させるようにしたことにより、（１）ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度低減と、（２）排気ガス中のＣＯ，ＨＣ等の還元成分増大と、（３）排気温度上昇によるＮＯｘ  放出還元時間の短縮とを同時に達成している。
【００７７】
なお上述の実施例ではスロットル弁２０の閉弁と燃料噴射量増量とによる排気温度上昇のみでパティキュレートの着火を行っているが、パティキュレートフィルタ５３に着火用電気ヒータを設け、排気昇温と併用して着火を促進するようにしても良い。
次に図２１を参照しつつ運転制御について説明する。
【００７８】
図２１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２０１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２０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００７９】
即ち、ステップ２０３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２０４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２０５では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２０６に進んで図１０に示される空燃比となるように図１２のマップから算出された量Ｑの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。
【００８０】
一方、ステップ２０５においてＮＯｘ  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２０７に進んで第１実行条件が成立しているか否かが判別される。第１実行条件が成立していないときにはステップ２０６に進んで上述した燃料噴射が行われる。一方、ステップ２０７において第１実行条件が成立しているときにはステップ２０８に進んで図１２のマップから算出された量Ｑに図１９のマップから算出された増分Ｑａを加えた量の燃料噴射が行われ、燃焼室５内における平均空燃比をリッチにする噴射制御が行われる。このときＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出される。
【００８１】
一方、ステップ２０１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２０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ２１１に進んで第２の燃焼が行われる。
即ち、ステップ２１１では図１４（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２１１では図１４（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２１３では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２１４に進んで図１３に示される空燃比となるように図１５のマップから算出された量Ｑの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。
【００８２】
一方、ステップ２１３においてＮＯｘ  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２１５に進んで第２実行条件が成立しているか否かが判別される。第２実行条件が成立していないときにはステップ２１４に進んで上述した燃料噴射が行われる。一方、ステップ２１５において第２実行条件が成立しているときにはステップ２１６に進んでスロットル弁２０が閉弁され、図１５のマップから算出された量Ｑに図２０のマップから算出された増分Ｑｂを加えた量の燃料噴射が行われ、ＮＯｘ  吸収剤２５に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなるように噴射制御され、それによってＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出される。
【００８３】
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２００からステップ２０９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２１１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２０９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２１０に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ２０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００８４】
なお第１の実施例において第２の燃焼が行われているときにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときに、燃料噴射量を増量せずに機関駆動用の噴射とは別個に増量すべき量Ｑｂの燃料を機関の膨張行程又は排気行程に噴射してもよい。従って追加の燃料Ｑｂが噴射されるとＮＯｘ  吸収剤１９からＮＯｘ  が放出されることになる。
【００８５】
次に図２２に本発明の第２の実施例を示す。図２２においても図１と同じ参照符号は同一の要素を示している。本実施例ではパティキュレートフィルタ５３入口に燃料油を用いたバーナ５５が設けられている点で図１の実施例と相違している。即ち本実施例では機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩにある場合にパティキュレートフィルタ５３を再生する時にスロットル弁２０を閉弁すると共にバーナ５５で燃料油を燃焼させることにより排気ガスの昇温を行い、機関への燃料噴射量増量は行なわない。本実施例によればパティキュレートフィルタ５３の排気微粒子捕集量が少なく、パティキュレートフィルタ５３での排気昇温が充分でないような場合でもバーナ５５への燃料供給量を増大することにより排気昇温と酸素消費とが達成できるため、ＮＯｘ  吸収剤２５でのＮＯｘ  放出還元操作実施タイミングがパティキュレートフィルタ５３の排気微粒子捕集量に影響されない利点がある。なお本実施例でもバーナ５５から発生する未燃ＨＣ，ＣＯがＮＯｘ  の還元剤として作用することは図１の実施例と同様である。またバーナ５５は対応する駆動回路４８を介して出力ポート４６に接続されている。
【００８６】
図２３は本発明の第３の実施例を示す。本実施例では図１、図２２の実施例のパティキュレートフィルタを設けず、排気管２４に燃料油を用いたバーナ５５と着火用のグローヒータ５６とを配置し、機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩにある場合にバーナ５５の燃焼によりＮＯｘ  吸収剤２５でのＮＯｘ  放出、還元を行う。即ち本実施例では機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩにある時に第１の実施例におけるパティキュレートフィルタでの燃焼による酸素消費と還元成分の発生、および排気昇温の全ての作用をスロットル弁２０の閉弁とバーナ５４の燃焼のみにより行っている。これによりＮＯｘ  吸収剤２５でのＮＯｘ  放出還元操作のタイミングを自由に設定することができる利点がある。なおグローヒータ５６は対応する駆動回路４８を介して出力ポート４６に接続される。
【００８７】
次に図２４に本発明の第四の実施例を示す。本実施例ではＮＯｘ  吸収剤２５の上流側の排気管２４、好ましくは排気マニホルド直下流に小容量の酸化触媒５７を配置している。触媒５７は熱容量の小さいメタル担体を使用し、活性温度の低い、例えば高Ｐｔ担持品が好適である。本実施例では酸化触媒５７により酸素消費と排気温度上昇とを行う。即ち機関の運転領域が第１の運転領域Ｉにある時には上記第１実行条件が成立した場合に燃焼室５内の空燃比が理論空燃比よりリッチとされ、第２の運転領域ＩＩにある時には上記第２実行条件が成立した場合に吸気管２のスロットル弁２０を閉弁すると共に燃焼室５への燃料噴射量を増量し、空燃比を大幅にリッチ側に移行させる。これにより排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ等の成分が増大し、触媒５７で酸化反応が生じて排気ガス中の酸素が消費されると共に反応熱により排気温度が上昇する。また触媒５７は小容量であるため燃料噴射量増量により生じた排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの一部しか消費することはできず、残りの大部分の未燃ＨＣ，ＣＯ成分は触媒５７を通過してＮＯｘ  吸収剤２５に到達し、放出されたＮＯｘ  の還元剤として使用される。
【００８８】
ところで排気ガスの温度は排気タービン２３を通過する際に大幅に低下する。この時、排気温度がいったん酸化触媒５７が未燃ＨＣ等を燃焼するために必要な活性化温度を下回ると、酸化触媒５７において意図したように酸素を消費することができない。そこで本実施例では排気タービン２３に隣接した排気マニホルド２２内に小型の酸化触媒５８を配置している。酸化触媒５８には排気タービン２３において温度が低下せしめられる前の高い温度の排気ガスが流入するため、排気ガス中の未燃ＨＣ等が酸化触媒５８において容易に燃焼する。即ち酸化触媒５８に流入する排気ガスが昇温される。従って排気タービン２３の下流側に配置された酸化触媒５７に流入する排気ガスの温度がその活性化温度以上に維持される。
【００８９】
本実施例では触媒５７として酸化触媒を用いているが、前述のようにＮＯｘ  吸収剤は酸化触媒としての機能を有しているため、触媒５７の代わりに小容量のＮＯｘ  吸収剤を用いることも可能である。このように触媒５７の代わりに小容量のＮＯｘ  吸収剤を配置することとすれば下流に配置したＮＯｘ  吸収剤と合わせて全体としてＮＯｘ  処理能力を増大させることができる。
【００９０】
なお上述の実施例ではいずれも機関の運転領域が第２の運転領域ＩＩにある場合のＮＯｘ  放出還元時に空気吸込管１７のスロットル弁２０を閉じて吸入空気量を減少させているが、例えばこれらの場合に排気再循環（ＥＧＲ）を併用すれば排気中の酸素量低減のうえで一層効果がある。また上述の実施例はディーゼルエンジンについてのみ説明したが、本発明は希薄燃焼を行うガソリンエンジン（リーンバーンエンジン）等にも適用可能である。
【００９１】
【発明の効果】
ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスが還元雰囲気にせしめられるためＮＯｘ  吸収剤において少ない量の還元剤でＮＯｘ  を放出還元することができる。
【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】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図１３】第２の運転領域における空燃比等を示す図である。
【図１４】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１５】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図１６】ＮＯｘ  の吸放出作用を説明するための図である。
【図１７】単位時間当りのＮＯｘ  吸収量のマップを示す図である。
【図１８】ＮＯｘ  放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図１９】第１の運転領域Ｉにおける増分を示す図である。
【図２０】第２の運転領域ＩＩにおける増分を示す図である。
【図２１】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２２】圧縮着火式内燃機関の第２の実施例を示す全体図である。
【図２３】圧縮着火式内燃機関の第３の実施例を示す全体図である。
【図２４】圧縮着火式内燃機関の第４の実施例を示す全体図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１５…排気ターボチャージャ
２０…スロットル弁
２９…ＥＧＲ通路
３１…ＥＧＲ制御弁
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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