(57)【要約】【課題】高速高負荷においても低温燃焼を行えるようにする。【解決手段】燃焼室内に供給される再循環排気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再循環排気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、排気ガスを吸引して圧縮する吸引・圧縮手段（６３）と、吸引・圧縮手段により圧縮された圧縮排気ガスを蓄積する圧縮排気ガスタンク（６４）と、圧縮排気ガスの流量を調節する流量制御弁（６６）とを具備し、圧縮排気ガスタンクに蓄積された圧縮排気ガスを流量制御弁によって燃焼室に供給することにより、煤の発生量がピークに達する再循環排気ガス量よりも多量の再循環排気ガスを燃焼室に供給し、それにより、煤がほとんど発生しなくなるようにした圧縮着火式内燃機関が提供される。【選択図】      図１
2004324457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に供給される再循環排気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再循環排気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、
排気ガスを吸引して圧縮する吸引・圧縮手段と、
前記吸引・圧縮手段により圧縮された圧縮排気ガスを蓄積する圧縮排気ガスタンクと、
圧縮排気ガスの流量を調節する流量制御弁とを具備し、
該圧縮排気ガスタンクに蓄積された圧縮排気ガスを前記流量制御弁によって燃焼室に供給することにより、煤の発生量がピークに達する再循環排気ガス量よりも多量の再循環排気ガスを燃焼室に供給し、それにより、煤がほとんど発生しなくなるようにした圧縮着火式内燃機関。
【請求項２】
さらに、吸気通路に空気を供給する過給機を具備する請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項３】
さらに、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気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再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、前記第１の燃焼時に前記流量調整弁を制御することにより圧縮排気ガスを吸気通路に供給するようにした請求項１または２に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項４】
さらに、前記内燃機関の排気通路に設けられる排気後処理部を具備し、該排気後処理部下流からの排気ガスを燃焼室に供給するようにした請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
【請求項５】
さらに、排気ガス内の水分を除去するための水分除去手段を具備する請求項１から４のいずれか一項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】
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、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。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出願されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１５９３６９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この内燃機関では排気マニホルド内に排出された排気ガスの一部がそのままＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路に通されて吸気通路まで再循環せしめられる。また、ＥＧＲ通路にはＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、排気ガス中の多量のＰＭ（パティキュレートマター）内のＳＯＦ（可溶性有機物質）と未燃化炭化水素とを浄化するためのＥＧＲクーラ前触媒（例えば、酸化触媒）とが設けられている。しかしながら、この新たな燃焼システムを採用した内燃機関を高速高負荷において使用する場合には、過給圧力もこれに応じて高くなる。従って、吸気通路の圧力が高いために、これよりも低圧のＥＧＲガスを吸気通路に再循環せしめるのが困難となり、結果としてＥＧＲガス不足のために新たな燃焼を行うことができない。そして、ＮＯｘ吸収材に吸蔵されたＮＯｘおよびＳＯｘを放出・還元させるために、通常は、機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を一時的にリッチにすることにより、ＮＯｘ吸収材に流入する排気ガスの酸素濃度を低下させるというリッチスパイク制御を第１の燃焼下で行っている。しかしながら、前述したように高速高負荷においては第１の燃焼下におけるリッチスパイク制御を行うことができないので、ＮＯｘおよびＳＯｘの放出なども不可能である。
【００１１】
また、この内燃機関を低速低負荷において使用する場合であっても、長時間にわたって低速低負荷運転する際には、ＥＧＲクーラ前触媒が劣化または被毒しうる。従って、排気ガス内の未燃化炭化水素やＳＯＦは次第に浄化されなくなり、これにより、未燃化炭素やＳＯＦが排気ガス再循環通路内に付着したり、ＥＧＲクーラーが目詰まりするという問題が生ずる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、燃焼室内に供給される再循環排気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再循環排気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、排気ガスを吸引して圧縮する吸引・圧縮手段と、前記吸引・圧縮手段により圧縮された圧縮排気ガスを蓄積する圧縮排気ガスタンクと、圧縮排気ガスの流量を調節する流量制御弁とを具備し、該圧縮排気ガスタンクに蓄積された圧縮排気ガスを前記流量制御弁によって燃焼室に供給することにより、煤の発生量がピークに達する再循環排気ガス量よりも多量の再循環排気ガスを燃焼室に供給し、それにより、煤がほとんど発生しなくなるようにした圧縮着火式内燃機関が提供される。
【００１３】
すなわち１番目の発明によって、タンク内で圧縮された排気ガスを吸気通路に供給しているので、高速高負荷においても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燃焼を行うことができる。
【００１４】
２番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、吸気通路に空気を供給する過給機を具備する。
すなわち２番目の発明によって、タンク内で圧縮された排気ガスと過給機によって圧縮された空気とを燃焼室内に供給しているので、さらに高速高負荷の領域を含む全運転領域におい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燃焼を行うことができる。
【００１５】
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、さらに、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気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再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手段を具備し、前記第１の燃焼時に前記流量調整弁を制御することにより圧縮排気ガスを吸気通路に供給するようにした。
すなわち３番目の発明によって、触媒床温度の上昇または空燃比を下げる必要のある場合に、切替手段によって、第１の燃焼と通常の燃焼（第２の燃焼）とを容易に切り替えることができる。
【００１６】
４番目の発明によれば、１番目から３番目の発明のいずれかにおいて、さらに、前記内燃機関の排気通路に設けられる排気後処理部を具備し、該排気後処理部下流からの排気ガスを燃焼室に供給するようにした。
すなわち４番目の発明によって、排気ガス内に含まれるＰＭまたはＨＣ等を捕獲することにより、排気ガス内のＰＭ等によって詰まりや腐食が生じるのを避けることができる。
【００１７】
５番目の発明によれば、１番目から４番目の発明のいずれかにおいて、さらに、排気ガス内の水分を除去するための水分除去手段を具備する。
すなわち５番目の発明によって、水分除去手段によって排気ガス内の水分が除去されるので、水分に基づく不具合が生じるのを避けることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は第１の実施例に基づく本発明を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を介して排気後処理部２０に連結されている。排気後処理部２０内には、ＮＯｘ吸収材１９および／またはＰＭ等を捕獲するのに適切なフィルタが設けられている。また、排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。
【００１９】
図１に示されるように排気管１８とサージタンク１２とはＥＧＲガス取出通路６１およびＥＧＲ通路６２を介して互いに連結されている。ＥＧＲガス取出通路６１にはＥＧＲガス取出・加圧手段、例えばポンプ６３が設けられており、さらに圧縮ＥＧＲガスタンク（以下、単に「タンク」と称する。）６４がＥＧＲガス取出通路６１内を流れるＥＧＲガスの流れに対してポンプ６３の下流に設けられている。図１に示される第１の実施例においては、ＥＧＲガス取出通路６１は前述した排気後処理部２０の下流に配置されている。排気管１８からのＥＧＲガスの一部は、ポンプ６３によってＥＧＲガス取出通路６１を通じて取出されてタンク６４内に加圧状態で蓄積される。また、タンク６４の下流に位置するＥＧＲ通路６２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁６６が配置される。さらに、タンク６４にはタンク６４内の圧力が所定の圧力を越えたときに開放するリリーフ弁６５が設けられている。図示されるようにタンク６４にはタンク６４内の圧力を検出するための圧力センサ６７が取付けられ、圧力センサ６７の出力信号に基づいてタンク６４内の圧力が所定の圧力となるようにポンプ６３が駆動される。すなわちタンク６４内の圧力が所定の圧力よりも小さい場合にはポンプ６３が駆動されると共に、タンク６４内の圧力が所定の圧力よりも大きい場合にはリリーフ弁６５を開放することにより、タンク６４内において所定の圧力を維持するようにしている。
【００２０】
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。
【００２１】
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４４が取付けられ、この温度センサ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。また、ＮＯｘ吸収材１９上流の排気通路内にはＮＯｘ吸収材１９に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ４５が配置され、ＮＯｘ吸収材１９下流の排気通路内にはＮＯｘ吸収材１９から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ４６が配置される。これら温度センサ４５，４６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。同様に、圧力センサ６７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。
【００２２】
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。更に入力ポート３５には車速を表わす車速センサ４３の出力パルスが入力される。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、燃料ポンプ２７、リリーフ弁６５、ＥＧＲ制御弁６６およびポンプ６３に接続される。
【００２３】
図２は燃料噴射時期を一定とした条件で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。
【００２４】
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。
【００２５】
図２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。
【００２６】
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前述した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。
【００２７】
図２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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図３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３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。
【００３５】
図３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。
【００３６】
一方、図３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。
【００３７】
また、図３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。
【００３８】
なお、図３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。
【００３９】
図４は第１の実施例において不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた際に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４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、一点鎖線Ｙ１は従来技術のように過給を行わず且つポンプ６３およびタンク６４を使用することなしにＥＧＲガスを燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。本実施例における二点鎖線Ｙ２は空気を過給することなしに、ＥＧＲガスをタンク６４から供給するときに燃焼室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は従来の低負荷運転領域を示している。
【００４０】
図４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４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４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４に示す第１の実施例では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４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４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。
【００４１】
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４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。
【００４２】
ところで過給等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Ｙ１であり、従って図４において要求負荷がＬ１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。云い換えると過給等が行われていない場合に要求負荷がＬ１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Ｌ１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。
【００４３】
ところが図１に示されるように本発明の第１の実施例においては、ポンプ６３を用いることにより、酸素濃度が低くて二酸化炭素濃度が高いＥＧＲガスを取出してタンク６４に圧縮して蓄積しており、次いで運転条件に応じてＥＧＲ制御弁６６を開閉することにより、タンク６４内のＥＧＲガスをサージタンク１２に必要量だけ供給している。すなわち本実施例においてはエアクリーナ１４からの空気は常圧で供給されるのに対し、タンク６４からのＥＧＲガスは加圧状態で供給される。従って、図４に示されるように、本実施例における全吸入ガス量Ｙ２は従来技術の全吸入ガス量Ｙ１よりも大きい。ＥＧＲガスをＥＧＲガス取出通路６１およびＥＧＲ通路６２に通してサージタンク１２まで再循環させることにより、本実施例においては要求負荷がＬ１よりも大きくなりうる運転領域Ｚ２の領域において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。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従来技術の運転領域Ｚ１よりも拡大することができることになる。それゆえ、本実施例においては従来技術の全吸入ガス量Ｙ１を越える全吸入ガス量Ｙ２に相当する負荷Ｌ２まで煤の発生を阻止することができる。
【００４４】
なお、この場合、ＥＧＲガスの温度が低ければ低いほど低温燃焼の生じる運転領域が拡大する。従って図１に示されるタンク６４内のＥＧＲガスを冷却するのが好ましい。また、図１に示される実施例では要求負荷がＬ１よりも大きい運転領域Ｚ２の領域で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。
【００４５】
前述したように図４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４に示される運転領域Ｚ１およびＺ２において空気量を図４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４に示される運転領域Ｚ１およびＺ２において空気量を図４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。
【００４６】
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。
【００４７】
このように、機関運転領域Ｚ１およびＺ２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。
【００４８】
従来技術において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ていた。しかしながら、本発明においては、タンク６４からの圧縮ＥＧＲガスを吸気通路に供給しているので、従来技術の場合よりも高負荷運転領域Ｚ２まで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ことができる。これよりも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。
【００４９】
図５は第１の実施例において第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域ＩＩ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ＩＶとを示している。なお、図５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。ここで従来技術の内燃機関における第１の運転領域Ｉの境界は点線Ｘ０（Ｎ）により示されており、本実施例において第１の燃焼が行われる第１の運転領域ＩＩは従来技術の第１の運転領域Ｉよりも高速高負荷範囲まで広がっている。また、図５においてＸ１（Ｎ）は第１の運転領域ＩＩと第２の運転領域ＩＶとの第１の境界を示しており、Ｙ１（Ｎ）は第１の運転領域ＩＩと第２の運転領域ＩＶとの第２の境界を示している。第１の運転領域ＩＩから第２の運転領域ＩＶへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ１（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＶから第１の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ１（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ＩＩ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Ｘ１（Ｎ）を越えると運転領域が第２の運転領域ＩＶ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Ｙ１（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域ＩＩ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Ｘ１（Ｎ）と第１の境界Ｘ１（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ１（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ＩＶ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Ｘ１（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Ｙ１（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ＩＩと第２の運転領域ＩＶ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】
図６は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁６６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６に示されるように、本実施例における第１の運転領域ＩＩは従来技術における第１の運転領域Ｉよりも広範囲にわたっている。図６から分かるように第１の運転領域ＩＩ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１／３開度程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁６６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６に示される実施例では第１の運転領域ＩＩ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。
【００５３】
言い換えると第１の運転領域ＩＩ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６６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ＥＧＲ制御弁６６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ＩＩ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。
【００５４】
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６６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。一方、機関の運転領域が第１の運転領域ＩＩから第２の運転領域ＩＶに変わるとスロットル弁１６の開度が１／３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６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３）を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域ＩＩから第２の運転領域ＩＶに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【００５５】
第２の運転領域ＩＶ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ＩＶ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６６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ＩＶ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ＩＶでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００５６】
図７は第１の運転領域ＩＩにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図７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７に示されるように第１の運転領域ＩＩでは空燃比がリーンとなっており、更に第１の運転領域ＩＩ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。
【００５７】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。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７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。
【００５８】
なお、空燃比を図７に示す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８（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、空燃比を図７に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁６６の目標開度ＳＥが図８（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。
【００５９】
図９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９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１０（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６６の目標開度ＳＥ’が図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ＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６０】
次に図１１を参照しつつ運転制御について説明する。図１１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状態が第１の運転領域ＩＩ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ＩＩであるときにはステップ１０１に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ１（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ１（Ｎ）のときにはステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００６１】
即ち、ステップ１０３では図８（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１６の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１０４では図８（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６６の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ１０５では図７に示される空燃比となるように燃料噴射が行われる。このとき低温燃焼が行われる。
【００６２】
一方、ステップ１０１においてＬ＞Ｘ１（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ１０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ１０８に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ１０８では図１０（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１０９では図１０（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁６６の目標開度ＳＥ’が算出され、ＥＧＲ制御弁６６の開度がこの目標開度ＳＥ’とされる。次いでステップ１１０では図１１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。
【００６３】
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１００からステップ１０６に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ１（Ｎ）よりも低くなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ１（Ｎ）のときにはステップ１０８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１０６においてＬ＜Ｙ１（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ１０７に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００６４】
排気後処理部２０のケーシング内に収容されているＮＯｘ吸収材１９は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００６５】
次いで図１２を参照しつつＮＯｘ吸収材１９に含まれる触媒の触媒床温度を活性化温度以上に制御する方法について説明する。図１２は要求負荷Ｌと、ＮＯｘ吸収材１９から流出した排気ガス温ＴＥと、燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆとの関係を示している。
【００６６】
図１２において時刻ｍ１において要求負荷ＬがＬ＞Ｘ１（Ｎ）からＬ＜Ｙ１（Ｎ）に変化したとすると第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられる。第２の燃焼から第１の燃焼に切換えられると多量に排出される未燃ＨＣ，ＣＯの酸化作用により触媒床温度が上昇し、斯くして排気ガス温ＴＥが上昇する。次いで要求負荷Ｌが境界Ｙ１（Ｎ）を越えると触媒床温度を上昇させるために第１の燃焼のもとで一定時間ｔ１だけ空燃比Ａ／Ｆがリッチにされた後に第２の燃焼に切換えられる。
【００６７】
時刻ｍ２において低温燃焼から第２の燃焼に切換えられた後、暫らくしてから要求負荷Ｌが境界Ｘ１（Ｎ）と境界Ｙ１（Ｎ）との間に維持され、第２の燃焼が継続していたとする。このような場合には時間が経過するにつれて排気ガス温ＴＥ、即ち触媒床温度は徐々に低下する。次いで排気ガス温ＴＥが予め定められた許容下限温度Ｔｍｉｎまで低下すると第２の燃焼から低温燃焼に一定時間ｔ２だけ切換えられる。これにより空燃比Ａ／Ｆはリッチとなる。このように第２の燃焼から低温燃焼に切換えられると排気ガス温ＴＥ、即ち触媒床温度が上昇する。特に本発明においては、酸素濃度が小さくて二酸化炭素濃度の大きい圧縮ＥＧＲガスが供給されるので、従来技術の場合よりも迅速に空燃比をリッチにすることができる。従って、触媒床温度は従来技術の場合よりも迅速に上昇することとなる。
【００６８】
暫らくして排気ガス温ＴＥが再び予め定められた許容下限温度Ｔｍｉｎまで低下すると再び第２の燃焼から低温燃焼に一定時間ｔ２だけ切換えられ、斯くして排気ガス温ＴＥ、即ち触媒床温度は再び上昇する。このようにして触媒床温度が活性化温度以上に維持される。
【００６９】
図１２に示される予め定められた許容下限温度Ｔｍｉｎは排気ガス温ＴＥの平均下降速度ΔＴＥＡＶの関数であり、この許容下限温度Ｔｍｉｎは排気ガス温ＴＥの平均下降速度ΔＴＥＡＶが大きくなるほど大きくなる。即ち、排気ガス温ＴＥの下降速度が速いほど排気ガス温ＴＥが高いときに第２の燃焼から低温燃焼に切換えないと触媒床温度が活性化温度以下まで低下してしまう。従って触媒床温度が活性化温度以下まで低下しないようにするために排気ガス温ＴＥの平均下降速度ΔＴＥＡＶが大きくなるほど許容下限温度Ｔｍｉｎを高くするようにしている。
【００７０】
機関吸気通路およびＮＯｘ吸収材１９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吸収材１９への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯｘ吸収材１９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吸収材１９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吸収材１９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。
【００７１】
このＮＯｘ吸収材１９を機関排気通路内に配置すればＮＯｘ吸収材１９は実際にＮＯｘの吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図１３に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００７２】
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１３（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２  がＯ２ −  又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −  又はＯ２−と反応し、ＮＯ２  となる（２ＮＯ＋Ｏ２  →２ＮＯ２  ）。次いで生成されたＮＯ２  の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図１３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ −  の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収材１９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。
【００７３】
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 −  →ＮＯ）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ３ −  がＮＯの形で吸収剤から放出される。このときＮＯｘ吸収材１９から放出されたＮＯｘは図１３（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ＮＯが存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ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吸収材１９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。
【００７４】
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吸収材１９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吸収材１９からＮＯｘが徐々にしか放出されないためにＮＯｘ吸収材１９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。
【００７５】
ところで前述したように機関の運転状態が第１の運転領域ＩＩ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。しかしながらＮＯｘ吸収材１９は酸化機能も有しうる。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吸収材１９により良好に酸化せしめられることになる。
【００７６】
一方、ＮＯｘ吸収材１９のＮＯｘ吸収能力には限度があり、ＮＯｘ吸収材１９のＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘ吸収材１９からＮＯｘを放出させる必要がある。そのためにはＮＯｘ吸収材１９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１４（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１４（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吸収材１９に吸収されているＮＯｘ量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【００７７】
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吸収材１９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１５を参照しつつ説明する。図１５は要求負荷Ｌと、燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆと、ＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸを示している。図１５を参照すると前述したように第１の運転領域ＩＩでは第１の燃焼が行われており、このとき燃焼室５内における空燃比はわずかばかりリーンとなっている。このときにはＮＯｘの発生量が極めて少なく、従ってＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸはわずかずつ増大していく。
【００７８】
次いで第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ＭＡＸを越えたとすると図１５に示されるように燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。本発明による実施例ではこのとき燃料噴射量を増大することによって燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。燃焼室５内における空燃比Ａ／ＦがリッチにされるとＮＯｘ吸収材１９からＮＯｘが放出される。前述したように第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われているときには燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにしても煤が発生せず、従って煤が発生することなく、ＮＯｘ吸収材１９からＮＯｘを放出することができることになる。
【００７９】
次いで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ１（Ｎ）を越え、機関の運転状態が第２の運転状態ＩＶになると第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。第２の燃焼においてはＮＯｘの発生量が多く、従って第２の燃焼が開始されるとＮＯｘ量ΣＮＯＸは急速に増大する。次いで第２の燃焼が行われているときにＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えると燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆがリッチとされる。しかしながらこのとき燃料噴射量を増量することによって燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにすると多量の煤が発生してしまう。
【００８０】
そこで本発明による実施例では第２の燃焼が行われたときにＮＯｘ吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸを越えたときには第２の燃焼から第１の燃焼に切換え、第１の燃焼のもとで燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにするようにしている。前述したように第１の燃焼のもとで燃焼室５内における空燃比Ａ／Ｆをリッチにすれば煤が発生することがなく、従って第２の燃焼が行われているときであっても煤が発生することなくＮＯｘ吸収材１９からＮＯｘを放出できることになる。この場合にも、酸素濃度が小さくて二酸化炭素濃度の大きい圧縮ＥＧＲガスが供給されるので、従来技術の場合よりも迅速に空燃比をリッチにすることができる。従って、ＮＯｘをＮＯｘ吸収材から迅速に放出することができる。
【００８１】
図１６に本発明の第２の実施例を示す。この実施例では本発明を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１６を参照すると吸気ポート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１３Ａを介して過給機、例えば排気ターボチャージャ７０のコンプレッサ７１の出口部に連結される。コンプレッサ７１の入口部は空気吸込管１３Ｂを介してエアクリーナ１４に連結され、空気吸込管１３Ｂ内にはステップモータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。当然のことながら、図示される排気ターボチャージャ７０の代わりに他の過給機を採用することもできる。
【００８２】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７および排気管１８Ａを介して排気ターボチャージャ７０の排気タービン７２の入口部に連結され、排気タービン７２の出口部は排気管１７Ｂを介してＮＯｘ吸収材１９を内蔵した排気後処理部２０に連結される。排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。
【００８３】
図１６に示されるように排気管１８Ｃとサージタンク１２とはＥＧＲガス取出通路６１およびＥＧＲ通路６２を介して互いに連結されている。ＥＧＲガス取出通路６１にはＥＧＲガス取出・加圧手段、例えばポンプ６３が設けられており、さらにタンク６４がＥＧＲガス取出通路６１内を流れるＥＧＲガスの流れに対してポンプ６３の下流に設けられている。図１６に示される第２の実施例においては、ＥＧＲガス取出通路６１は前述した排気後処理部２０の下流に配置されている。排気管１８ＣからのＥＧＲガスの一部は、ポンプ６３によってＥＧＲガス取出通路６１を通じて取出されてタンク６４内に加圧状態で蓄積される。また、ＥＧＲ通路６２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁６６が配置される。さらに、タンク６４にはタンク６４内の圧力が所定の圧力を越えたときに開放するリリーフ弁６５が設けられている。
【００８４】
図１７は本実施例における噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図４と同様の図である。なお、図１７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、一点鎖線Ｙ１は従来技術のように過給を行わず且つポンプ６３およびタンク６４を使用することなしにＥＧＲガスを燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。本実施例における太い一点鎖線Ｙ３は過給を行うと共にＥＧＲガスをタンク６４から供給するときに燃焼室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おり、Ｚ２は第１の実施例における運転領域を示している。
【００８５】
図１６に示されるように第２の実施例においては、ポンプ６３を用いてＥＧＲガスを取出してタンク６４に圧縮して蓄積しており、次いで運転条件に応じてＥＧＲ制御弁６６を開閉することにより、タンク６４内のＥＧＲガスをサージタンク１２に必要量だけ供給していると共に、排気ターボチャージャ７０を使用することによりエアクリーナ１４からの空気をサージタンク１２内に加圧状態で供給している。従って、図１７に示されるように、本実施例における全吸入ガス量Ｙ３は従来技術の全吸入ガス量Ｙ１および前述した第１の実施例の全吸入ガス量Ｙ２よりも大きい。ＥＧＲガスをＥＧＲガス取出通路６１およびＥＧＲ通路６２に通してサージタンク１２まで再循環させることにより、要求負荷がＬ１およびＬ２よりも大きい最大要求負荷ＬＭＡＸ  を含む運転領域Ｚ３の領域において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。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転を従来技術の運転領域Ｚ１および第１の実施例の運転領域Ｚ２よりもさらに拡大した全ての領域Ｚ３について行うことができる。それゆえ、本実施例においては従来技術の全吸入ガス量Ｙ１を越えて全吸入ガス量Ｙ３まで煤の発生を阻止することができる。本発明の第２の実施例に関する低温燃焼と第２の燃焼との切替およびＮＯｘ放出制御などの詳細については第１の実施例と同様であるので説明を省略する。
【００８６】
図１および図１６に示されるように、ＥＧＲガス取出通路６１は排気後処理部２０の下流に設けられるのが好ましい。前述したように排気後処理部２０はＮＯｘ吸収材１９および排気ガスを浄化するのに適切なフィルタを含んでいるので、排気後処理部２０において排気後処理された排気ガスの一部がタンク６４内に蓄積される。すなわち、排気ガス中に混入している多量のＰＭまたはＨＣが排気後処理部２０において除去されるので、ＥＧＲガス取出通路６１を通るＥＧＲガス内にはこれらＰＭまたはＨＣは混入していない。従って、ＥＧＲガス取出通路６１が排気後処理部２０の下流に設けられる場合には、ＥＧＲガス取出通路６１、ＥＧＲ通路６２、ポンプ６３およびタンク６４内にはこれらＰＭ等が付着しないので、詰まりが生じることがなく、またこれらＰＭ等によってＥＧＲガス取出通路６１等が腐食されることもない。しかしながら、ＥＧＲガス取出通路６１が排気後処理部２０の上流に設けられる場合も本発明の範囲に含まれるのは明らかである。
【００８７】
図１８は本発明の実施例に基づく内燃機関に使用されるポンプ６３およびタンク６４の拡大図である。ＥＧＲガスは約１０％という比較的多量の酸素を含んでいるので、ＥＧＲガスをタンク６４内で圧縮する際には水分が凝結しやすい。図１８に示されるように、ＥＧＲガス取出通路６１にはプレッシャレギュレータ８１が設けられている。プレッシャレギュレータ８１から延びる二つの通路のうちの一方がポンプ６３を介してタンク６４の入口部８７に接続されている。タンク６４は上方室８８および下方室８９より構成されており、これら室８８、８９は小径オリフィス８３により互いに連通している。図示されるように入口部８７は室８９側に配置されている。乾燥剤８４が下方室８９内に配置されており、乾燥剤８４の下方にはオイルセパレータ８５が設けられている。さらに、オイルセパレータ８５の下方にはドレンバルブ８２が設けられており、プレッシャレギュレータ８１から延びる二つの通路のうちの他方がこのドレンバルブ８２まで延びている。さらにタンク６４の上方室８８はチェックバルブ８６を介してＥＧＲ通路６２に通じている。
【００８８】
ＥＧＲガスをタンク６４内に蓄積する際には、ＥＧＲガス取出通路６１内のＥＧＲガスがポンプ６３によってプレッシャレギュレータ８１を介して取出され、次いで入口部８７を介してタンク６４の下方室８９内に圧縮される。ＥＧＲガスは下方室８９内の乾燥剤８４によって水分が除去されると共にオイルセパレータ８５によって油分が除去される。次いで下方室８９内の清浄化されたＥＧＲガスはオリフィス８３を通って上方室８８内に蓄積される。次いでＥＧＲガスはチェックバルブ８６を通ってＥＧＲ通路６２内に進入し、前述したＥＧＲ制御弁６６を調整することによりＥＧＲ通路６２に進入してサージタンク１２内に供給される。
【００８９】
タンク６４内の水分および油分を排出する際には、プレッシャレギュレータ８１からの指令によってポンプ６３をアンロード状態にして、ＥＧＲガスを下方室８９内に供給するのを遮断する。次いでプレッシャレギュレータ８１からの指令が通路を介してドレンバルブ８２に伝わり、ドレンバルブ８２が開放する。これにより、タンク６４内が大気に開放されると共に、下方室８９内の水分および油分がドレンバルブ８２から排出される。次いで上方室８８内の乾燥ＥＧＲガスがオリフィス８３を通って減圧膨張し、乾燥剤８４内を逆流することにより、乾燥剤８４を脱水させる。乾燥剤８４を通過したＥＧＲガスはオイルセパレータ８５を清浄して放出される。次いで、ポンプ６３がロード状態となり、ＥＧＲガスがプレッシャレギュレータ８１を介してタンク６４内に再び蓄積されるようになる。このように水分または油分を除去することにより、これら水分または油分に基づく不具合が生じるのを避けることができる。図１８においてはタンク６４において水分または油分を除去するようにしているが、水分または油分を除去できる同様の手段をＥＧＲガス取出通路６１、ＥＧＲ通路６２および／またはポンプ６３に設けることも可能である。
【００９０】
また、前述した第１および第２の実施例においてはＥＧＲ通路６２をＥＧＲ通路６２にサージタンク１２に接続しており、ＥＧＲガスはサージタンク１２および吸気枝管１１を通って吸気ポート８に進入している。しかしながら、ＥＧＲ通路６２を吸気ポート８に直接的に接続する場合も本発明の範囲に含まれるのは明らかである。
【００９１】
【発明の効果】
１番目の発明によれば、高速高負荷においても低温燃焼を行うことができるという効果を奏しうる。
２番目の発明によれば、さらに高速高負荷の領域を含む全運転領域において低温燃焼を行うことができるという効果を奏しうる。
３番目の発明によれば、低温燃焼と通常の燃焼（第２の燃焼）とを容易に切り替えることができるという効果を奏しうる。
４番目の発明によれば、排気ガス内のＰＭ等によって詰まりや腐食が生じるのを避けることができるという効果を奏しうる。
５番目の発明によれば、水分に基づく不具合が生じるのを避けることができるという効果を奏しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例における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】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図４】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図５】第１の運転領域ＩＩ、第２の運転領域ＩＶを示す図である。
【図６】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図７】第１の運転領域ＩＩにおける空燃比を示す図である。
【図８】スロットル弁の目標開度等を示す図である。
【図９】第２の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図１０】スロットル弁の目標開度等を示す図である。
【図１１】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１２】低温燃焼と第２の燃焼との切替を説明するための図である。
【図１３】ＮＯｘの吸放出作用を説明するための図である。
【図１４】単位時間当たりのＮＯｘ吸収量のマップを示す図である。
【図１５】ＮＯｘ放出制御を説明するためのタイムチャートである。
【図１６】第２の実施例における圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図１７】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図１８】ポンプおよび圧縮ＥＧＲガスタンクの拡大図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
１９…ＮＯｘ吸収材
２０…排気後処理部
６３…ポンプ（吸引・圧縮手段）
６４…圧縮ＥＧＲガスタンク
６６…ＥＧＲ制御弁
８２…ドレンバルブ（水分除去手段）
８４…乾燥剤
【図１】
2004324457.tif 000003
【図２】
2004324457.tif 000004
【図３】
2004324457.tif 000005
【図４】
2004324457.tif 000006
【図５】
2004324457.tif 000007
【図６】
2004324457.tif 000008
【図７】
2004324457.tif 000009
【図８】
2004324457.tif 000010
【図９】
2004324457.tif 000011
【図１０】
2004324457.tif 000012
【図１１】
2004324457.tif 000013
【図１２】
2004324457.tif 000014
【図１３】
2004324457.tif 000015
【図１４】
2004324457.tif 000016
【図１５】
2004324457.tif 000017
【図１６】
2004324457.tif 000018
【図１７】
2004324457.tif 000019
【図１８】
2004324457.tif 000020