(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と、前記内燃機関がリーン空燃比で運転されているときに、機関運転状態に応じて決定される所定の加算量を一定時間毎に前記ＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量を表すＮＯｘ  吸収量カウンタに加算し、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときに、所定の減算量を一定時間毎に前記ＮＯｘ  吸収量カウンタから減算することにより、前記ＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量を推定するＮＯｘ 吸収量推定手段と、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときにＮＯｘ  吸収剤から放出されるＮＯｘ  の量を推定するＮＯｘ  放出量推定手段と、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときに前記ＮＯｘ  放出量に基づいてＮＯｘ  吸収量カウンタの前記減算量を決定する減算量決定手段とを備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記ＮＯｘ  放出量推定手段が前記機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときにＮＯｘ  吸収剤に供給された燃料の量に基づいてＮＯｘ  放出量を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ＮＯｘ  放出量推定手段がＮＯｘ  吸収剤の温度に基づいてＮＯｘ  放出量を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記ＮＯｘ  放出量推定手段がＮＯｘ  吸収剤の劣化度合いに基づいてＮＯｘ  放出量を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記ＮＯｘ  放出量推定手段がＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスの量に基づいてＮＯｘ  放出量を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【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に記載の内燃機関。
【請求項７】
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に記載の内燃機関。
【請求項８】
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】
ところでＮＯｘ  吸収剤が吸収したＮＯｘ  吸収量を推定するためにＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量を表すＮＯｘ  吸収量カウンタを設け、機関がリーン空燃比で運転されているときには、一定時間毎に上記ＮＯｘ  吸収量カウンタに機関運転状態に応じて決定される所定の加算量を加算し、機関がリッチ又は理論空燃比で運転されているときには、運転時間に応じて上記ＮＯｘ  吸収量カウンタの値を減少させるようにした内燃機関が知られている。
【００１３】
即ち、機関運転中には機関から負荷、回転数等の機関運転条件に応じた量のＮＯｘ  が発生するが、機関がリーン空燃比で運転されている場合（即ち、ＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーンである場合）には、発生したＮＯｘ  量のうち一定の割合がＮＯｘ  吸収剤に吸収されるため、ＮＯｘ  吸収剤中に吸収されたＮＯｘ  の量は機関のＮＯｘ  発生量に応じて増大する。また、機関がリッチ又は理論空燃比で運転されている場合には、ＮＯｘ  吸収剤からＮＯｘ  が放出されるため、ＮＯｘ  吸収剤中に吸収されているＮＯｘ  の量は機関がリッチ又は理論空燃比で運転されている時間に応じて減少する。この内燃機関では、機運運転空燃比がリーン空燃比のときに一定時間毎に所定量ずつ加算され、機関運転空燃比がリッチ又は理論空燃比のときに運転時間に応じて所定量が減算されるＮＯｘ  吸収量カウンタを設けることによりＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量を推定している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の装置のように機関がリッチ又は理論空燃比で運転されている場合に運転時間にのみ基づいてＮＯｘ  吸収剤の吸収量カウンタの値を減少させていると、実際にＮＯｘ  吸収剤に吸収されているＮＯｘ  量とＮＯｘ  吸収量カウンタの値との間に誤差を生じる問題がある。
【００１５】
即ち単位時間当たりにＮＯｘ  吸収剤から放出されるＮＯｘ  の量（ＮＯｘ  放出速度）は常に一定ではなく、後述するようにＮＯｘ  吸収剤の温度や排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯ等の成分の量に応じて変化する。このため、上述の装置のようにリッチ又は理論空燃比の運転時間のみに基づいて（即ち、ＮＯｘ  吸収剤からのＮＯｘ  放出速度を一定と仮定して）ＮＯｘ  吸収量カウンタの値を減少させていると、機関運転状態やＮＯｘ  吸収剤温度によってはカウンタの減少量と実際にＮＯｘ  吸収剤から放出されたＮＯｘ  の量との間に大きな誤差を生じてしまう場合がある。
【００１６】
上記内燃機関では、ＮＯｘ  吸収量カウンタの値を用いてＮＯｘ  吸収剤に吸収されたＮＯｘ  の量を判断し、リーン空燃比運転時にＮＯｘ  吸収量が増大して所定値を越えた場合には強制的に機関の空燃比をリッチ空燃比に切り換えることにより、ＮＯｘ  吸収剤からＮＯｘ  を放出させている。従って現実にＮＯｘ  吸収剤中に吸収されているＮＯｘ  量とＮＯｘ  吸収量カウンタの値との間に誤差が生じると、実際にはＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量が少なく、ＮＯｘ  を放出させる必要がないにもかかわらずＮＯｘ  吸収量カウンタの値が所定値を越えたためにリッチ空燃比運転への切換が行われて燃費が悪化したり、逆に実際にはＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量が増加してＮＯｘ  を放出させる必要があるにもかかわらず、ＮＯｘ  吸収量カウンタの値が所定値を越えないためにＮＯｘ  を放出させず、ＮＯｘ  吸収剤の吸収能力が低下して排気ガス中のＮＯｘ  を吸収できなくなる等の問題を生じるおそれがある。
【００１７】
本発明の目的はＮＯｘ  吸収剤中に吸収されているＮＯｘ  の量を正確に推定することにある。
【００１８】
【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と、前記内燃機関がリーン空燃比で運転されているときに、機関運転状態に応じて決定される所定の加算量を一定時間毎に前記ＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量を表すＮＯｘ  吸収量カウンタに加算し、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときに、所定の減算量を一定時間毎に前記ＮＯｘ  吸収量カウンタから減算することにより、前記ＮＯｘ  吸収剤のＮＯｘ  吸収量を推定するＮＯｘ 吸収量推定手段と、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときにＮＯｘ  吸収剤から放出されるＮＯｘ  の量を推定するＮＯｘ  放出量推定手段と、前記内燃機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときに前記ＮＯｘ  放出量に基づいてＮＯｘ  吸収量カウンタの前記減算量を決定する減算量決定手段とを備える。即ち実際にＮＯｘ  吸収剤から放出されたＮＯｘ  の量に対応してＮＯｘ  吸収量カウンタが減算せしめられる。
【００１９】
２番目の発明によれば１番目の発明において前記ＮＯｘ  放出量推定手段が前記機関がリッチまたは理論空燃比で運転されているときにＮＯｘ  吸収剤に供給された燃料の量に基づいてＮＯｘ  放出量を推定する。
３番目の発明によれば１番目の発明において前記ＮＯｘ  放出量推定手段がＮＯｘ  吸収剤の温度に基づいてＮＯｘ  放出量を推定する。
【００２０】
４番目の発明によれば１番目の発明において前記ＮＯｘ  放出量推定手段がＮＯｘ  吸収剤の劣化度合いに基づいてＮＯｘ  放出量を推定する。
５番目の発明によれば１番目の発明において前記ＮＯｘ  放出量推定手段がＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスの量に基づいてＮＯｘ  放出量を推定する。
６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。
【００２１】
７番目の発明によれば６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。
８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。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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Ｌｏ  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Ｌｏ  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Ｌｏ  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。
【００４５】
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Ｌｏ  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Ｌｏ  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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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ＮＯｘ  吸収剤２５により良好に酸化せしめられる。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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ＮＯｘ  吸収剤２５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ＮＯｘ  吸収剤２５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。
【００６５】
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ＮＯｘ  吸収剤２５内の硝酸イオンＮＯ３  −  がＮＯ２  の形でＮＯｘ  吸収剤２５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ＮＯｘ  吸収剤２５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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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  吸収量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００６９】
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。次にこのことについて図１８を参照しつつ説明する。
図１８を参照すると本発明による実施例では二つの許容最大値、即ち許容最大値ＭＡＸ１と許容最大値ＭＡＸ２とが設定されている。許容最大値ＭＡＸ１はＮＯｘ  吸収剤２５が吸収しうる最大ＮＯｘ  吸収量の３０パーセント程度とされており、許容最大値ＭＡＸ２はＮＯｘ  吸収剤２５が吸収しうる最大吸収量の８０パーセント程度とされている。第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときにはＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべく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が許容最大値ＭＡＸ１を越えたときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときにＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべく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が許容最大値ＭＡＸ２を越えたときにはＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。
【００７０】
即ち、図１８において期間Ｘは要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低く、第１の燃焼が行われている場合を示しており、このとき空燃比は理論空燃比よりもわずかばかりリーンなリーン空燃比となっている。第１の燃焼が行われているときにはＮＯｘ  の発生量が極めて少く、従ってこのときには図１８に示されるようにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸは極めてゆっくりと上昇する。第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えると空燃比Ａ／Ｆは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。このときＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸは後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【００７１】
前述したように第１の燃焼が行われているときには空燃比がリーンであろうと、理論空燃比であろうと、リッチであろうと煤は発生せず、従って第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべく空燃比Ａ／Ｆがリッチとされてもこのとき煤が発生することはない。
次いで時刻ｔ１  において要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられる。図１８に示されるように第２の燃焼が行われているときには空燃比Ａ／Ｆはかなりリーンとなる。第２の燃焼が行われているときには第１の燃焼が行われている場合に比べてＮＯｘ  の発生量が多く、従って第２の燃焼が行われているときにはＮＯｘ  量ΣＮＯＸは比較的急速に上昇する。
【００７２】
第２の燃焼が行われているときに空燃比Ａ／Ｆ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Ａ／Ｆをリッチにすることはできない。従って図１８に示されるように第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ＭＡＸ１を越えたとしてもＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべく空燃比Ａ／Ｆがリッチとされない。この場合には図１８の時刻ｔ２  におけるように要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなって第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときにＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべく空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされ、それによってＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出される。このときＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸは後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【００７３】
次いで図１８の時刻ｔ３  において第１の燃焼から第２の燃焼に切換えられ、暫らくの間第２の燃焼が継続したとする。このときＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越える。
次いで要求負荷Ｌが増大するにつれて空燃比Ａ／Ｆが小さくなり、図１８の時刻ｔ４  において空燃比Ａ／Ｆがリッチとなる。このときＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出され、ＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【００７４】
次いで図１８の時刻ｔ５  において空燃比Ａ／Ｆがリーンとなり、暫らくの間第２の燃焼が継続し、次いで時刻ｔ６  において許容最大値ＭＡＸ２を越えたとするとこのときにはＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  を放出すべく膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射され、ＮＯｘ  吸収剤２５に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。このときＮＯｘ  吸収剤２５からＮＯｘ  が放出され、ＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが後に詳述するように徐々に減少せしめられる。
【００７５】
膨張行程の後半又は排気行程中に噴射される追加の燃料は機関出力の発生には寄与せず、従って追加の燃料を噴射する機会はできるだけ少くすることが好ましい。従って第２の燃焼が行われたときにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ１を越えたときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときに空燃比Ａ／Ｆを一時的にリッチにし、ＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えた特別の場合に限って追加の燃料を噴射するようにしている。
【００７６】
ところで空燃比Ａ／Ｆがリッチとなったとき及びリッチとされたときに排気ガスとともにＮＯｘ  吸収剤２５に流入するＨＣ，ＣＯ成分の量は、機関に供給された燃料の量から、機関を理論空燃比で運転するのに必要とされる燃料の量を引いた燃料量、即ち過剰燃料量に比例して増大する。このため、単位時間にＮＯｘ  吸収剤２５から放出されるＮＯｘ  量（ＮＯｘ  放出速度）は、この単位時間に機関に供給された過剰燃料量に応じて増大する。
【００７７】
また膨張行程の後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射されたときに排気ガスとともにＮＯｘ  吸収剤２５に流入するＨＣ成分の量は、供給された燃料の量、即ち過剰燃料量に比例して増大する。このためＮＯｘ  放出速度は、この過剰燃料量に応じて増大する。
またＮＯｘ  吸収剤２５に排気ガス中に含まれる硫黄成分が付着することによりＮＯｘ  吸収剤２５は劣化する。このためＮＯｘ  吸収剤２５が単位時間に放出できるＮＯｘ  の量が少なくなる。即ちＮＯｘ  放出速度はこのＮＯｘ  吸収剤２５の劣化の度合いに応じて低下する。
【００７８】
さらにＮＯｘ  吸収剤からのＮＯｘ  放出速度はＮＯｘ  吸収剤の温度による影響を受け、ＮＯｘ  吸収剤温度によりＮＯｘ  放出速度の最大値がほぼ定まる。即ち充分な過剰燃料の存在下ではＮＯｘ  放出速度はＮＯｘ  吸収剤の温度が高くなるほど増大する傾向を示す。このように温度上昇とともにＮＯｘ  放出速度が増大するのは、ＮＯｘ  吸収剤の温度が高くなると吸収剤中のＢａＯと結合した硝酸イオンが分離し易くなるためと考えられる。従って過剰燃料量が多くてもＮＯｘ  吸収剤の温度が低ければＮＯｘ  放出速度は小さくなる。
【００７９】
さらにＮＯｘ  放出速度は単位時間にＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスの量（以下、流入排気ガス量と称す）に影響される。即ちＮＯｘ  放出速度は流入排気ガス量が多いほど低下する。これは流入排気ガス量が多いほどＮＯｘ  吸収剤を通過する排気ガスの速度が早く、排気ガス中の燃料がＮＯｘ  放出作用に寄与するのに十分な時間が確保できないからである。
【００８０】
次に本実施例におけるＮＯｘ  吸収剤からのＮＯｘ  放出速度の推定について詳細に説明する。
前述のようにＮＯｘ  吸収剤からのＮＯｘ  放出速度を正確に決定するためには過剰燃料量とＮＯｘ  吸収剤の劣化度合いとＮＯｘ  吸収剤の温度と流入排気ガス量とを知る必要がある。
【００８１】
図１９は過剰燃料量ＥＦとＮＯｘ  放出速度Ｖとの関係の一例を示しており、ＮＯｘ  放出速度Ｖは過剰燃料量ＥＦが増大するのに略比例して増大する。また図２０はＮＯｘ  吸収剤温度ＴとＮＯｘ  放出速度Ｖとの関係の一例を示しており、ＮＯｘ  放出速度ＶはＮＯｘ  吸収剤温度Ｔが増大すると増大する。本実施例では過剰燃料量ＥＦとＮＯｘ  吸収剤温度Ｔとに対応する基本ＮＯｘ  放出速度ＶＢが図２１に示すように過剰燃料量ＥＦとＮＯｘ  吸収剤温度Ｔとの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００８２】
さらに図２２はＮＯｘ  吸収剤の劣化度合いＤとＮＯｘ  放出速度Ｖとの関係の一例を示しており、ＮＯｘ  放出速度Ｖは劣化度合いＤが増大すると低下する。また図２３は単位時間にＮＯｘ  吸収剤に流入する排気ガスの量ＡＥとＮＯｘ  放出速度Ｖとの関係の一例を示しており、ＮＯｘ  放出速度Ｖは流入排気ガス量ＡＥが増大すると低下する。本実施例では劣化度合いＤと流入排気ガス量ＡＥとに対応するＮＯｘ  放出速度補正係数Ｋ１が図２４に示すように劣化度合いＤと流入排気ガス量ＡＥとの関数としてマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００８３】
本実施例ではＮＯｘ  吸収剤からＮＯｘ  が放出されたときにＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸを減少すべき量Ｃを上述のようにして算出される基本ＮＯｘ  放出速度ＶＢとＮＯｘ  放出速度補正係数Ｋ１とを用いて式Ｃ＝ＣＢ×ＶＢ×Ｋ１に従って算出する。ここでＣＢは基本となる減少量である。
なお本実施例では空燃比Ａ／Ｆがリッチ又は理論空燃比とされたとき又はなったときの過剰燃料量は空燃比と吸入空気量とにより算出される。また膨張行程後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射されたときの過剰燃料量は単位時間に燃焼室内に噴射された追加の燃料の量に等しい。またＮＯｘ  吸収剤温度はＮＯｘ  吸収剤２５の下流側排気通路に設けた排気温度センサ５３により検出された温度に基づいて算出される。排気温度センサ５３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。
【００８４】
またＮＯｘ  吸収剤の劣化の度合いは内燃機関の総運転時間に基づいて算出され、総運転時間が長いほど劣化度合いは大きくなる。さらに流入排気ガス量は吸気管に設けられた質量流量検出器により検出された質量流量に基づいて算出される。
図２５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。
【００８５】
図２５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１６（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ＭＡＸ１を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ１になるとステップ１０４に進み、第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ  を放出すべきことを示すＮＯｘ  放出フラグ１がセットされる。
【００８６】
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１０７に進んで図１６（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１０８ではＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸにＢ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ＭＡＸ１を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ１になるとステップ１０４に進み、第１の燃焼が行われているときにＮＯｘ  を放出すべきことを示すＮＯｘ  放出フラグ１がセットされる。即ちこの場合には第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられたときにＮＯｘ  が放出される。
【００８７】
ステップ１０５では、ＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸ２を越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸ２になるとステップ１０６に進み、膨張行程の後半又は排気行程中にＮＯｘ  を放出すべきことを示すＮＯｘ  放出フラグ２がセットされる。
次に図２６および図２７を参照しつつ運転制御について説明する。
【００８８】
図２６を参照すると、先ず初めにステップ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。
【００８９】
即ち、ステップ２０３では図１２（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１２（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１がセットされているか否かが判別される。ＮＯｘ  放出フラグ１がセットされていないときにはステップ２０６に進んで図１１に示される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。
【００９０】
一方、ステップ２０５においてＮＯｘ  放出フラグ１がセットされていると判別されたときにはステップ２０７に進んで噴射制御Ｉが行われる。即ち空燃比がリッチ又は理論空燃比とされる。
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２１２に進んで第２の燃焼が行われる。
【００９１】
即ち、ステップ２１２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２１３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２１４ではＮＯｘ  放出フラグ２がセットされているか否かが判別される。ＮＯｘ  放出フラグ２がセットされていないときにはステップ２１５に進んで図１３に示される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。
【００９２】
一方、ステップ２１４においてＮＯｘ  放出フラグ２がセットされていると判別されたときにはステップ２１４に進んで噴射制御ＩＩが行われる。即ち膨張行程後半又は排気行程中に追加の燃料が噴射される。
次いで図２７のステップ２１７では上述したように減算量Ｃが算出される。なお減算量Ｃは空燃比がリーンのときは零である。次いでステップ２１８においてＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸから減算量Ｃが減算される。次いでステップ２１９ではＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが零以上か否かが判別される。ΣＮＯＸ≧０であるときにはそのまま処理が終了する。一方、ΣＮＯＸ＜０であるときにはステップ２２０においてＮＯｘ  吸収量ΣＮＯＸが零とされ、処理が終了する。
【００９３】
【発明の効果】
１番目から８番目の発明によれば実際にＮＯｘ  吸収剤から放出されたＮＯｘ  の量だけＮＯｘ  吸収量カウンタが減算されるので、ＮＯｘ  吸収剤中に吸収されているＮＯｘ  の量が正確に推定される。
【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ＩＩ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  放出制御を説明するための図である。
【図１９】過剰燃料量とＮＯｘ  放出速度との関係を示す図である。
【図２０】ＮＯｘ  吸収剤温度とＮＯｘ  放出速度との関係を示す図である。
【図２１】基本ＮＯｘ  放出速度のマップを示す図である。
【図２２】劣化度合いとＮＯｘ  放出速度との関係を示す図である。
【図２３】流入排気ガス量とＮＯｘ  放出速度との関係を示す図である。
【図２４】ＮＯｘ  放出速度補正係数のマップを示す図である。
【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】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２７】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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