(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圧縮着火式内燃機関において、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を多くし、燃焼不良が生じているか否かを判断する燃焼不良判断手段と、燃焼不良が生じているときには空燃比を大きくする空燃比制御手段とを具備した圧縮着火式内燃機関。
【請求項２】
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圧縮着火式内燃機関において、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を多くし、燃焼不良を生じているか否かを判断する燃焼不良判断手段と、燃焼不良が生じているときには噴射開始時期を早める噴射時期制御手段とを具備した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】
ところが本発明者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、ＥＧＲ率を７０パーセントから８０パーセント程度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を見い出したのである。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、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を構築す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云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。
【０００９】
ところで従来の圧縮着火式内燃機関においては空燃比を小さくしていくといずれ燃焼不良を生じ、ついには失火することになる。これは新たな燃焼システムでも同様であって空燃比を小さくしていくといずれ燃焼不良を生じ、ついには失火することになる。しかしながらこれまで圧縮着火式内燃機関において燃焼不良が生じたときの対策がなされていないのが現状である。なお、ここで燃焼不良というのは機関の出力トルクの変動又は燃焼変動が許容値以上になったときを言い、燃焼不良の最悪の場合が失火である。
【００１０】
本発明の目的は燃焼不良が生じたときに運転状態を燃焼不良が生じない運転状態に制御することにある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
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圧縮着火式内燃機関において、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を多くし、燃焼不良が生じているか否かを判断する燃焼不良判断手段と、燃焼不良が生じているときには空燃比を大きくする空燃比制御手段とを具備している。
【００１２】
また、上記目的を達成するために２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圧縮着火式内燃機関において、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を多くし、燃焼不良を生じているか否かを判断する燃焼不良判断手段と、燃焼不良が生じているときには噴射開始時期を早める噴射時期制御手段とを具備している。
【００１３】
即ち、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煤の発生量がピークとなる不活性ガス量も多くした状態で燃焼不良が生じているときには空燃比が大きくされ、２番目の発明では燃焼室内に供給される不活性ガス量を煤の発生量がピークとなる不活性ガス量も多くした状態で燃焼不良が生じているときには噴射開始時期が早められる。
【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する触媒１９を内蔵した触媒コンバータ２０に連結され、排気マニホルド１７内には空燃比センサ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。空燃比センサ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。機関本体１には機関冷却水温を検出するための温度センサ２９が取付けられ、この温度センサ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、少なくとも一つの吸気枝管１１内には吸入空気とＥＧＲガスとの混合ガス温を検出するための温度センサ４３が取付けられ、この温度センサ４３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。更に、少なくとも一つの吸気枝管１１内には酸素濃度センサ４４が配置され、この酸素濃度センサ４４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。
【００１８】
また、触媒１９下流の排気管４５内には触媒１９を通過した排気ガスの温度を検出するための温度センサ４６が配置され、この温度センサ４６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。燃焼室５内には燃焼室５内の圧力を検出するための燃焼圧センサ４７が配置され、この燃焼圧センサ４７の出力信号はピークホールド回路４８の入力端子Ｉに接続される。ピークホールド回路４８の出力端子Ｏ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、クランクシャフト４９には機関の出力トルクを検出するためのトルクセンサ５０が取付けられ、このトルクセンサ５０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。
【００１９】
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。更に入力ポート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、ＥＧＲ制御弁２３、燃料ポンプ２７およびピークホールド回路４８のリセット入力端子Ｒに接続される。
【００２０】
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７０パーセント以上となっている。
【００２１】
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５０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７０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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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  の発生量から或る提示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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
図５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５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。
【００３３】
図５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５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５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５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５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。
【００３４】
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５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。
【００３５】
一方、図５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。
【００３６】
前述したように図５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５に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図５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５に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図５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。
【００３７】
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。
【００３８】
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云い、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云う。
【００３９】
図６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６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６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。
【００４０】
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。
【００４１】
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６および図７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。
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。このとき酸化機能を有する触媒１９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触媒１９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１９が活性化していない場合には未燃炭化水素は触媒１９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。従って本発明では機関の運転状態が第１の燃焼、即ち低温燃焼しうる第１の運転領域であったとしても触媒１９が活性化していない場合には第１の燃焼を行わず、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる。
【００４２】
触媒１９としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯｘ  吸収剤を用いることができる。ＮＯｘ  吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘ  を吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘ  を放出する機能を有する。このＮＯｘ  吸収剤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。
【００４３】
酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯｘ  吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびＮＯｘ  吸収剤を触媒１９として用いることができる。
触媒１９は触媒１９の温度が或る一定温度を越えると活性化する。触媒１９が活性化する温度は触媒１９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１９を通過した排気ガスの温度は触媒１９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１９を通過した排気ガス温は触媒１９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１９を通過した排気ガスの温度から触媒１９が活性化したか否かを判断するようにしている。
【００４４】
図８（Ａ）は空燃比センサ２１の出力を示している。図８（Ａ）に示されるように空燃比センサ２１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２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。また、図８（Ｂ）は酸素濃度センサ４４の出力を示している。図８（Ｂ）に示されるように酸素濃度センサ４４の出力電流Ｉは酸素濃度〔Ｏ２  〕に応じて変化する。従って酸素濃度センサ４４の出力電流Ｉから酸素濃度を知ることができる。
【００４５】
次に触媒１９が活性化している場合を例にとって図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９に示される例では第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ８０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。
【００４６】
云い換えると第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ８０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２１の出力信号に基づいてスロットル弁１６の開度および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。
【００４７】
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。
【００４８】
機関の運転状態が第１の運転領域Ｉであるときには煤およびＮＯｘ  はほとんど発生せず、排気ガス中に含まれている煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は触媒１９により酸化せしめられる。
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しめられる。このとき図９に示す例ではＥＧＲ率がほぼ８０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２）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。
【００４９】
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９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。
【００５０】
ところで低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉの範囲は圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温およびシリンダ内壁面温度に応じて変化する。即ち、要求負荷が高くなって燃焼による発熱量が増大すると、燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が高くなり、斯くして低温燃焼を行うことができなくなる。一方、圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなると燃焼が開始される直前の燃焼室５内のガス温が低くなるので燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなれば燃焼による発熱量が増大しても、即ち要求負荷が高くなっても燃焼時における燃料およびその周囲のガス温は高くならず、斯くして低温燃焼が行われることになる。云い換えると圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなればなるほど低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大することになる。
【００５１】
また、シリンダ内壁面温度ＴＷと圧縮始めの燃焼室５内のガス温ＴＧとの温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さいほど圧縮行程中にシリンダ内壁面を介して逃げる熱量が増大する。従ってこの温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど圧縮行程中における燃焼室５内のガスの温度上昇量が少なくなり、斯くして燃焼時における燃料およびその周囲のガス温が低くなる。従って温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さいほど低温燃焼しうる第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大することになる。
【００５２】
本発明による実施例では圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなると図１０に示されるように第１の境界がＸｏ  （Ｎ）からＸ（Ｎ）に移動せしめられ、温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなると図１０に示されるように第１の境界がＸｏ  （Ｎ）からＸ（Ｎ）に移動せしめられる。なお、ここでＸｏ  （Ｎ）は基準となる第１の境界を示している。基準となる第１の境界Ｘｏ  （Ｎ）は機関回転数Ｎの関数であり、Ｘ（Ｎ）はこのＸｏ  （Ｎ）を用いて次式に基づいて算出される。
【００５３】
Ｘ（Ｎ）＝Ｘｏ  （Ｎ）＋Ｋ（Ｔ）・Ｋ（Ｎ）
Ｋ（Ｔ）＝Ｋ（Ｔ）１  ＋Ｋ（Ｔ）２
ここでＫ（Ｔ）１  は図１１（Ａ）に示されるように圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧの関数であり、このＫ（Ｔ）１  の値は圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなるほど大きくなる。また、Ｋ（Ｔ）２  は図１１（Ｂ）に示されるように温度差（ＴＷ−ＴＧ）の関数であり、このＫ（Ｔ）２  の値は温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど大きくなる。なお、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）においてＴ１  は基準温度、Ｔ２  は基準温度差であり、ＴＧ＝Ｔ１  でかつ（ＴＷ−ＴＧ）＝Ｔ２  のときに第１の境界が図１０のＸｏ  （Ｎ）となる。
一方、Ｋ（Ｎ）は図１１（Ｃ）に示されるように機関回転数Ｎの関数であり、Ｋ（Ｎ）の値は機関回転数Ｎが高くなるほど小さくなる。即ち、圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが基準温度Ｔ１  よりも低くなると圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧが低くなるほど第１の境界Ｘ（Ｎ）はＸｏ  （Ｎ）に対して高負荷側に移動し、温度差（ＴＷ−ＴＧ）が基準温度差Ｔ２  よりも低くなると温度差（ＴＷ−ＴＧ）が小さくなるほど第１の境界Ｘ（Ｎ）はＸｏ  （Ｎ）に対して高負荷側に移動する。また、Ｘｏ  （Ｎ）に対するＸ（Ｎ）の移動量は機関回転数Ｎが高くなるほど少なくなる。
【００５４】
図１２（Ａ）は第１の境界が基準となる第１の境界Ｘｏ  （Ｎ）であるときの第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１２（Ａ）において、Ａ／Ｆ＝１５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７で示される各曲線は夫々空燃比が１５，１６，１７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１２（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が低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５５】
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１２（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。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空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５６】
図１２（Ｂ）は第１の境界が図１０に示されるＸ（Ｎ）のときの第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１２（Ａ）および（Ｂ）を比較するとわかるように第１の境界Ｘ（Ｎ）がＸｏ  （Ｎ）に対して高負荷側に移動するとそれに追従して各空燃比を示すＡ／Ｆ＝１５，Ａ／Ｆ＝１６，Ａ／Ｆ＝１７の曲線も高負荷側に移動する。従って第１の境界Ｘ（Ｎ）がＸｏ  （Ｎ）に対して高負荷側に移動すると同一要求負荷Ｌおよび同一機関回転数Ｎにおける空燃比Ａ／Ｆが大きくなることがわかる。即ち、第１の運転領域Ｉが高負荷側に拡大せしめられると煤およびＮＯｘ  のほとんど発生しない運転領域が拡大されるばかりでなく、燃料消費率が向上せしめられることになる。
【００５７】
本発明による実施例では第１の境界Ｘ（Ｎ）が種々に変化したときの第１の運転領域Ｉにおける目標空燃比、即ち種々のＫ（Ｔ）の値に対する第１の運転領域Ｉにおける目標空燃比が図１３（Ａ）から図１３（Ｄ）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。即ち、図１３（Ａ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ１のときの目標空燃比ＡＦＫＴ１を示しており、図１３（Ｂ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ２のときの目標空燃比ＡＦＫＴ２を示しており、図１３（Ｃ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ３のときの目標空燃比ＡＦＫＴ３を示しており、図１３（Ｄ）はＫ（Ｔ）の値がＫＴ４のときの目標空燃比ＡＦＫＴ４を示している。
【００５８】
一方、空燃比を目標空燃比ＡＦＫＴ１，ＡＦＫＴ２，ＡＦＫＴ３，ＡＦＫＴ４とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度が図１４（Ａ）から図１４（Ｄ）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定めＲＯＭ３２内に記憶されており、また空燃比を目標空燃比ＡＦＫＴ１，ＡＦＫＴ２，ＡＦＫＴ３，ＡＦＫＴ４とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度が図１５（Ａ）から図１５（Ｄ）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。
【００５９】
即ち、図１４（Ａ）は空燃比が１５のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１５を示しており、図１５（Ａ）は空燃比が１５のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１５を示している。
また、図１４（Ｂ）は空燃比が１６のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１６を示しており、図１５（Ｂ）は空燃比が１６のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１６を示している。
【００６０】
また、図１４（Ｃ）は空燃比が１７のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１７を示しており、図１５（Ｃ）は空燃比が１７のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１７を示している。
また、図１４（Ｄ）は空燃比が１８のときのスロットル弁１６の目標開度ＳＴ１８を示しており、図１５（Ｄ）は空燃比が１８のときのＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥ１８を示している。
【００６１】
図１６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１６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１７（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１７（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。
【００６２】
これまで述べたように機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにありかつ触媒１９が活性化しているときには第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる。しかしながら機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにありかつ触媒１９が活性化していても何らかの理由により良好な低温燃焼を行えない場合がある。そこで本発明による第１の実施例では触媒１９が活性化しているときに機関の運転状態が第１の運転領域Ｉとなったときには低温燃焼すべくスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ制御弁２３の開度を夫々図１４に示す目標開度ＳＴおよび図１５に示す目標基本開度ＳＥとし、このとき良好な低温燃焼を行うことができない場合には、即ち燃焼不良を生じている場合には空燃比を大きくするようにしている。空燃比を大きくすれば燃料周りの酸素濃度が高くなり、斯くして良好な低温燃焼が行われることになる。
【００６３】
本発明による一実施例では良好な低温燃焼が行われているか否かが燃焼圧センサ４７により検出された燃焼室５内の圧力に基づいて判断される。即ち、良好な低温燃焼が行われているときには図１８に示されるように燃焼圧が緩やかに変化する。具体的に云うと、燃焼圧はＰ０  で示されるように上死点ＴＤＣにおいて一旦ピークとなり、次いでＰ１  で示されるように上死点ＴＤＣ後において再びピークとなる。ピーク圧Ｐ１  は燃焼圧により生じ、良好な低温燃焼が行われているときにはピーク圧Ｐ１  がピーク圧Ｐ０  に比べて若干高くなる。
【００６４】
これに対して良好な低温燃焼が行われず、燃焼不良が生じるとピーク圧Ｐ１  がピーク圧Ｐ０  よりも低くなる。従って本発明による第１の実施例では差圧ΔＰ（＝Ｐ１  −Ｐ０  ）が負になったときには燃焼不良が生じていると判断し、空燃比を大きくするようにしている。
次に図１８および図１９を参照しつつ燃焼不良の検出方法について説明する。図１９は燃焼不良の検出ルーチンを示しており、このルーチンはクランク角割込みによって実行される。図１９を参照すると、まず初めにステップ１００において現在クランク角がＣＡ１（図１８）であるか否かが判別される。クランク角がＣＡ１のときにはステップ１０１に進んでピークホールド回路４８の出力電圧が読込まれる。このときピークホールド回路４８の出力電圧はピーク圧Ｐ０  を表しており、従ってステップ１０１ではピーク圧Ｐ０  が読込まれることになる。次いでステップ１０２ではリセット信号がピークホールド回路４８のリセット入力端子Ｒに入力され、それによってピークホールド回路４８がリセットされる。
【００６５】
次いでステップ１０３では現在クランク角がＣＡ２（図１８）であるか否かが判別される。クランク角がＣＡ２のときにはステップ１０４に進んでピークホールド回路４８の出力電圧が読込まれる。このときピークホールド回路４８の出力電圧はピーク圧Ｐ１  を表しており、従ってステップ１０４ではピーク圧Ｐ１  が読込まれることになる。次いでステップ１０５ではリセット信号がピークホールド回路４８のリセット入力端子Ｒに入力され、それによってピークホールド回路４８がリセットされる。次いでステップ１０６ではピーク圧Ｐ０  とピーク圧Ｐ１  との差圧ΔＰ（＝Ｐ１  −Ｐ０  ）が算出される。
【００６６】
次いでステップ１０７では差圧ΔＰが負か否かが判別される。ΔＰ＜０のときには燃焼不良が生じていると判断され、このときにはステップ１０９に進んで燃焼不良フラグがセットされる。これに対しΔＰ≧０のときには燃焼不良が生じていないと判断され、このときにはステップ１０８に進んで燃焼不良フラグがリセットされる。
【００６７】
図２０は低温燃焼領域、即ち第１の運転領域Ｉを制御するためのルーチンを示している。
図２０を参照すると、まず初めにステップ２００において圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧおよびシリンダ内壁面温度ＴＷが算出される。この実施例では温度センサ４３により検出された吸入空気とＥＧＲガスの混合ガス温が圧縮始めにおける燃焼室５内のガス温ＴＧとされ、温度センサ２９により検出された機関冷却水温がシリンダ内壁面温度ＴＷとされる。次いでステップ２０１では図１１（Ａ）に示す関係からＫ（Ｔ）１  が求められ、図１１（Ｂ）に示す関係からＫ（Ｔ）２  が求められ、これらＫ（Ｔ）１  とＫ（Ｔ）２  とを加算することによってＫ（Ｔ）（＝Ｋ（Ｔ）１  ＋Ｋ（Ｔ）２  ）が算出される。
【００６８】
次いでステップ２０２では機関回転数Ｎに基づいて図１１（Ｃ）に示す関係からＫ（Ｎ）が算出される。次いでステップ２０３では予め記憶されている第１の境界Ｘｏ  （Ｎ）の値を用いて次式に基づき第１の境界Ｘ（Ｎ）の値が算出される。
Ｘ（Ｎ）＝Ｘｏ  （Ｎ）＋Ｋ（Ｔ）・Ｋ（Ｎ）
次いでステップ２０４では機関回転数Ｎに基づいて図７に示す関係からΔＬ（Ｎ）が算出される。次いでステップ２０５ではＸ（Ｎ）からΔＬ（Ｎ）を減算することによって第２の境界Ｙ（Ｎ）の値（＝Ｘ（Ｎ）−ΔＬ（Ｎ））が算出される。
【００６９】
次に図２１を参照しつつ運転制御について説明する。
図２１を参照すると、まず初めにステップ３００において温度センサ４６の出力信号に基づいて触媒１９を通過した排気ガスの温度Ｔｃが予め定められたＴｏよりも高いか否か、即ち触媒１９が活性化したか否かが判断される。Ｔｃ≦Ｔｏのとき、即ち触媒１９が活性化していないときにはステップ３０７に進んで第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる。
【００７０】
即ち、ステップ３０７では図１７（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、次いでステップ３０８では図１７（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ３０９では噴射量Ｑが算出され、次いでステップ３１０では噴射開始時期θＳが算出される。
ステップ３００においてＴｃ＞Ｔｏであると判断されたとき、即ち触媒１９が活性化しているときにはステップ３０１に進んで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３０２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。
【００７１】
即ち、ステップ３０３では図１３（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちでＫ（Ｔ）に応じた二つのマップを用いて比例配分により目標空燃比ＡＦが算出される。次いでステップ３０４では噴射量Ｑが算出され、次いでステップ３０５では噴射開始時期θＳが算出される。この噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｌの関数として図２２に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００７２】
次いでステップ４００では噴射制御が行われる。この噴射制御が図２３に示されている。次いでステップ５００では燃焼不良制御が行われる。この燃焼不良制御が図２４に示されている。次いでステップ６００ではＥＧＲ制御が行われる。このＥＧＲ制御が図２５に示されている。
一方、ステップ３０２においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判断されるとステップ３０６に進んでフラグＩがリセットされる。次いでステップ３０７に進み、第２の燃焼、即ち従来より行われている通常の燃焼が行われる。一方、ステップ３０１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３１１に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも小さ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３０７に進む。これに対してＬ＜Ｙ（Ｎ）になるとステップ３１２に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ３０３に進み、低温燃焼が行われる。
【００７３】
次に図２３を参照しつつ噴射制御ルーチンについて説明する。図２３を参照すると、まず初めにステップ４０１においてアイドリング運転時であるか否かが判別される。アイドリング運転時でないときにはただちに燃焼不良制御ルーチンに進む。これに対してアイドリング運転時にはステップ４０２に進む。
ステップ４０２では機関回転数Ｎが目標アイドリング回転数Ｎｏ、例えば６００ｒ．ｐ．ｍ．から一定値ａ、例えば１０ｒ．ｐ．ｍ．を減算した値（Ｎｏ−ａ）よりも低くなったか否かが判別される。Ｎ＜Ｎｏ−ａのときにはステップ４０４に進んで噴射量の補正値ΔＱに一定値ｂが加算される。次いでステップ４０６に進んで噴射量Ｑが補正値ΔＱだけ増大せしめられる。一方、ステップ４０２においてＮ≧Ｎｏ−ａであると判断されるとステップ４０３に進んで機関回転数Ｎが目標アイドリング回転数Ｎｏに一定値ａを加算した値（Ｎｏ＋ａ）よりも高くなったか否かが判別される。Ｎ＞Ｎｏ＋ａのときにはステップ４０５に進んで補正値ΔＱから一定値ｂが減算され、次いでステップ４０６に進む。
【００７４】
即ち、機関アイドリング運転時には機関回転数ＮがＮｏ−ａ＜Ｎ＜Ｎｏ＋ａとなるように噴射量Ｑが制御される。
次に図２４を参照しつつ燃焼不良制御について説明する。図２４を参照すると、まず初めにステップ５０１において燃焼不良フラグがセットされているか否かが判別される。燃焼不良フラグがリセットされているとき、即ち燃焼不良が生じていないときにはステップ５０２に進んで空燃比センサ２１により検出された実際の空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比ＡＦに一定値ｄを加算した値（ＡＦ＋ｄ）よりも大きいか否かが判別される。Ａ／Ｆ＞ＡＦ＋ｄのときにはステップ５０４に進んで空燃比の補正値ΔＡＦから一定値ｅが減算される。次いでステップ５０６では目標空燃比ＡＦに補正値ΔＡＦを加算することにより空燃比の学習値ＡＦＯ（＝ＡＦ＋ΔＡＦ）が算出される。
【００７５】
一方、ステップ５０２においてＡ／Ｆ≦ＡＦ＋ｄであると判別されたときにはステップ５０３に進んで空燃比センサ２１により検出された実際の空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比ＡＦから一定値ｄを減算した値（ＡＦ−ｄ）よりも小さいか否かが判別される。Ａ／Ｆ＜ＡＦ−ｄのときにはステップ５０５に進んで補正値ΔＡＦに一定値ｅが加算され、次いでステップ５０６に進む。即ち、燃焼不良が生じていないときには実際の空燃比Ａ／Ｆがほぼ目標空燃比ＡＦとなるように空燃比の学習値ＡＦＯが算出される。
【００７６】
次いでステップ５０７では図１４（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで空燃比の学習値ＡＦＯに応じた二つのマップを用いて比例配分によりスロットル弁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に制御される。次いでステップ５０８では図１５（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで空燃比の学習値ＡＦＯに応じた二つのマップ用いて比例配分によりＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥが算出される。
【００７７】
一方、ステップ５０１において燃焼不良フラグがセットされていると判断されたとき、即ち燃焼不良が生じているときにはステップ５０９に進んで補正値ΔＡＦに一定値ｃが加算され、次いでステップ５０６に進む。従って、燃焼不良が生じているときには空燃比の学習値ＡＦＯが次第に増大し、それにより実際の空燃比が次第に大きくなる。このとき実際には吸入空気量が増大するようにスロットル弁１６の開度が次第に大きくなり、ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御弁２３の開度も次第に増大する。
【００７８】
次いで燃焼不良が生じなくなるとステップ５０１からステップ５０２に進み、実際の空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比ＡＦとなるようにスロットル弁１６の開度およびＥＧＲ制御弁２３の開度が徐々に小さくなる。
次に図２５を参照しつつＥＧＲ制御について説明する。このＥＧＲ制御はＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に正確に一致せしめるための制御である。図２５を参照すると、まず初めにステップ６０１において酸素濃度センサ４４の出力信号に基づき実際のＥＧＲ率が算出される。即ち、吸入空気量をＱａ，ＥＧＲガス量をＱｇ、酸素濃度センサ４４により検出された酸素濃度を〔Ｏ２  〕％とすると吸入空気中の酸素濃度はほぼ２１％であり、ＥＧＲガス中の酸素濃度はほぼ５％であるので次式が成立する。
【００７９】
（０．２１・Ｑａ＋０．０５・Ｑｇ）／（Ｑａ＋Ｑｇ）＝〔Ｏ２  〕
ここでＥＧＲ率はＱｇ／（Ｑａ＋Ｑｇ）であるので上式は次式のように表される。
０．２１−０．１６・ＥＧＲ率＝〔Ｏ２  〕
従って酸素濃度センサ４４により酸素濃度〔Ｏ２  〕を検出すれば実際のＥＧＲ率が算出できることになる。
【００８０】
次いでステップ６０２では目標ＥＧＲ率ＧＲが算出される。次いでステップ６０３では実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率から一定値ｆを減算した値よりも小さいか否かが判別される。実際のＥＧＲ率＜ＧＲ−ｆのときにはステップ６０５に進んでＥＧＲ制御弁２３の開度の補正値ΔＳＥに一定値ｇが加算される。次いでステップ６０７においてＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥに補正値ΔＳＥを加算することにより目標開度ＳＥが算出される。このときＥＧＲ制御弁２３の開度が増大せしめられる。
【００８１】
一方、ステップ６０３において実際のＥＧＲ率≧ＧＲ−ｆであると判断されたときにはステップ６０４に進んで実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率ＧＲに一定値ｆを加算した値（ＧＲ＋ｆ）よりも大きいか否かが判別される。実際にＥＧＲ率＞ＧＲ＋ｆのときにはステップ６０６に進んで補正値ΔＳＥから一定値ｇが減算され、次いでステップ６０７に進む。このときにはＥＧＲ制御弁２３の開度が減少せしめられる。
【００８２】
図２６は図２４に示される燃焼不良制御の別の実施例を示している。この実施例では燃焼不良が生じたときに噴射開始時期θＳを早めるようにしている。
即ち、図２６を参照すると、まず初めにステップ７０１において図１４（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップを用いて比例配分によりスロットル弁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に制御される。次いでステップ７０２では図１５（Ａ）から（Ｄ）に示されるマップのうちで目標空燃比ＡＦに応じた二つのマップを用いて比例配分によりＥＧＲ制御弁２３の目標基本開度ＳＥが算出される。
【００８３】
次いでステップ７０３では燃焼不良フラグがセットされているか否かが判別される。燃焼不良フラグがセットされているとき、即ち燃焼不良が生じているときにはステップ７０８に進んで噴射開始時期の補正値ΔＱＳに一定値ｈが加算される。次いでステップ７０７では図２２に示される目標噴射開始時期θＳに補正値ΔＱＳを加算することにより最終的な噴射開始時期ＱＳＯが算出される。即ち、燃焼不良が生じていると噴射開始時期が徐々に早められることになる。
【００８４】
一方、燃焼不良フラグがリセットされると、即ち燃焼不良が生じなくなるとステップ７０３からステップ７０４に進んで補正値ΔＱＳから一定値ｈが減算される。次いでステップ７０５では補正値ΔＱＳが負になったか否かが判別され、ΔＱＳ＜０のときにはステップ７０６においてΔＱＳが零にされた後にステップ７０７に進む。即ち、燃焼不良が生じなくなると噴射開始時期は図２２に示される目標噴射開始時期ＱＳまで徐々に遅くされる。
【００８５】
図２７および図２８は図１９に示される燃焼不良検出ルーチンの夫々別の実施例を示している。
図２７は機関の出力トルクの変動量が大きくなったときに燃焼不良を生じていると判断するようにした実施例を示している。
図２７を参照すると、まず初めにステップ８０１においてトルクセンサ５０により検出された機関の出力トルクの変動量ΔＴＱが算出される。次いでステップ８０２ではトルク変動量ΔＴＱが一定値ｊよりも大きいか否かが判別される。ΔＴＱ＞ｊのときにはステップ８０３に進んで燃焼不良フラグがセットされ、ΔＴＱ≦ｊのときにはステップ８０４に進んで燃焼不良フラグがリセットされる。
【００８６】
図２８は各気筒の爆発行程を含む１８０度クランク角の経過時間Ｔ１８０から燃焼不良が生じているか否かを判断するようにした実施例を示している。即ち、或る気筒が燃焼不良を生じるとその気筒の爆発行程を含む１８０度クランク角の経過時間Ｔ１８０が長くなるのでこのことから燃焼不良が生じたと判断することができる。
【００８７】
即ち、図２８を参照すると、ステップ９０１ではクランク角センサ４２の出力信号に基づいて各気筒の爆発行程を含む１８０度クランク角の経過時間Ｔ１８０が算出される。次いでステップ９０２では最も最近の全気筒の経過時間Ｔ１８０の平均値Ｔ１８０ＡＶが算出され、次いでステップ９０３ではいずれかの気筒の経過時間Ｔ１８０が平均値Ｔ１８０ＡＶに一定値ｋを加算した値（Ｔ１８０ＡＶ＋ｋ）よりも大きいか否かが判別される。Ｔ１８０＞Ｔ１８０ＡＶ＋ｋであるときにはステップ９０４に進んで燃焼不良フラグがセットされ、Ｔ１８０≦Ｔ１８０ＡＶ＋ｋであるときにはステップ９０５に進んで燃焼不良フラグがリセットされる。
【００８８】
また、燃焼室５内に互いに間隔を隔てた２つの端子を配置し、これら端子間に電圧を印加し、端子間にイオン電流が流れるか否かによって燃焼不良が生じたか否かを判断することもできる。即ち、燃焼が行われると燃焼ガス中にイオンが発生するので端子間にイオン電流が流れ、従ってイオン電流が流れたか否かによって燃焼不良を生じたか否かを判断することもできる。
【００８９】
【発明の効果】
圧縮着火式内燃機関において燃焼不良を生じたときには機関の運転状態を燃焼不良しない運転状態に制御することができる。
【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】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図６】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７】ΔＬ（Ｎ）と機関回転数Ｎとの関係を示す図である。
【図８】空燃比センサ等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の境界Ｘ（Ｎ）の制御方法を説明するための図である。
【図１１】Ｋ（Ｔ）１  ，Ｋ（Ｔ）２  およびＫ（Ｎ）を示す図である。
【図１２】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１３】目標空燃比のマップを示す図である。
【図１４】スロットル弁の目標開度のマップを示す図である。
【図１５】ＥＧＲ制御弁の目標基本開度を示す図である。
【図１６】第２の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図１７】スロットル弁の目標開度等を示す図である。
【図１８】燃焼圧等を示す図である。
【図１９】燃焼不良検出ルーチンを示す図である。
【図２０】低温燃焼領域を制御するためのフローチャートである。
【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】目標噴射開始時期等のマップを示す図である。
【図２３】噴射制御を行うためのフローチャートである。
【図２４】燃焼不良を制御するためのフローチャートである。
【図２５】ＥＧＲ制御のためのフローチャートである。
【図２６】燃焼不良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２７】燃焼不良検出ルーチンの別の実施例を示す図である。
【図２８】燃焼不良検出ルーチンの更に別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
１９…触媒
２３…ＥＧＲ制御弁
４６…燃焼圧センサ
【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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【図２８】
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