(57)【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  吸収剤を該触媒下流の機関排気通路内に配置し、ＮＯＸ  吸収剤からＮＯＸ  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】
ＮＯＸ  吸収剤からＮＯＸ  を放出すべきか否かを判断する判断手段を具備し、ＮＯＸ  吸収剤からＮＯＸ  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。
【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（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を進められ、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  吸収剤を触媒下流の機関排気通路内に配置し、ＮＯＸ  吸収剤からＮＯＸ  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、ＮＯＸ  吸収剤からＮＯＸ  を放出すべきか否かを判断する判断手段を具備し、ＮＯＸ  吸収剤からＮＯＸ  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５５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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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２４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３５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３６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、ＥＧＲ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，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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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ＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量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。
【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。
【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、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。
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ΔＬ（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１６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ＮＯＸ  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ＳＴ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ＲＯＭ３２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３５０℃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Ｔａ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ＭＩＮ（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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収剤２０への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯＸ  吸収剤２０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。なお、ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  を放出することになる。
【００６２】
このＮＯＸ  吸収剤２０を機関排気通路内に配置すればＮＯＸ  吸収剤２０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ＮＯＸ  がＮＯＸ  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。
【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ＮＯ２  の形で吸収剤から放出される。このときＮＯＸ  吸収剤２０から放出されたＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収剤２０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。
【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ＮＯＸ  吸収剤２０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２０からＮＯＸ  が徐々にしか放出されないためにＮＯＸ  吸収剤２０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。
【００６６】
ところで、ＮＯＸ  吸収剤２０のＮＯＸ  吸収能力には限度があり、ＮＯＸ  吸収剤２０のＮＯＸ  吸収能力が飽和する前にＮＯＸ  吸収剤２０からＮＯＸ  を放出させる必要がある。そのためにはＮＯＸ  吸収剤２０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ＮＯＸ  吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯＸ  吸収剤２０に吸収されているＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収剤２０からＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収量ΣＮＯＸが最大値ＭＡＸ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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収剤２０からＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収剤２０からＮＯＸ  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、ＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収剤２０からＮＯＸ  が良好に放出されることになる。
【００７２】
図２１はＮＯＸ  吸収剤２０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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収量Ｂが算出される。次いでステップ１０６ではＮＯＸ  吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ１０７ではＮＯＸ  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ＮＯＸ  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２００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。ＴＥ≦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３０１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３１３に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ３１３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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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、ＮＯＸ  吸収剤２０からＮＯＸ  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ＮＯＸ  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ＮＯＸ  吸収量ΣＮＯＸが最大値ＭＡＸを越えたとする。この場合、ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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４００において図１９（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４０１ではＮＯＸ  吸収量ΣＮＯＸにＢが加算される。次いでステップ４０２ではＮＯＸ  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４０３に進んでＮＯＸ  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≦Ｘ（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５０３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５１９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、ＮＯＸ  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＞ＭＩＮ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、ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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】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】ＮＯＸ  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ＮＯＸ  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】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】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…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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【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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