(57)【要約】【課題】リッチ空燃比にて内燃機関を運転せしめるときに燃焼室内において燃料を安定して燃焼させる。【解決手段】燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁が配置されている。排気循環通路と、排気弁の開弁期間Ｅｘとそれに続く吸気弁の開弁期間ＩＮとが重なるオーバラップ期間の時間的な長さを変えるためのオーバラップ期間変更手段とを具備する。燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されたときに、駆動用の燃料噴射Ｑｍの前に補助的な燃料噴射Ｑｖを実行し、これら駆動用の燃料噴射と補助的な燃料噴射とによって燃焼室内の混合気の平均空燃比をリッチとすることにより排気ガスの空燃比をリッチとすると共に、オーバラップ期間を長くし且つ排気ガスを上記排気循環通路および吸気通路を介して燃焼室に循環させる。【選択図】　　　図３
2004027946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁が配置されている内燃機関において、燃焼室から排気通路へと排出された排気ガスを吸気通路を介して再び燃焼室内に循環させるために排気通路と吸気通路とを連結する排気循環通路と、排気弁の開弁期間とそれに続く吸気弁の開弁期間とが重なるオーバラップ期間の時間的な長さを変えるためのオーバラップ期間変更手段とを具備し、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されたときに、内燃機関を駆動するための駆動用の燃料噴射の前に補助的な燃料噴射を実行し、これら駆動用の燃料噴射と補助的な燃料噴射とによって燃焼室内の混合気の平均空燃比をリッチとすることにより排気ガスの空燃比をリッチとすると共に、上記オーバラップ期間変更手段によってオーバラップ期間を長くし且つ排気ガスを上記排気循環通路および吸気通路を介して燃焼室に循環させるようにしたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
上記オーバラップ期間変更手段が排気弁の開閉弁タイミングを変更する機構であり、該機構によって排気弁の閉弁タイミングが遅らされることによってオーバラップ期間が長くされ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】
燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁が配置され、燃焼室から排気通路へと排出された排気ガスを吸気通路を介して再び燃焼室内に循環させるために排気通路と吸気通路とを連結する排気循環通路を具備し、該排気循環通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却装置を該排気循環通路に備えた内燃機関において、冷却通路をバイパスするバイパス通路を設け、通常、燃焼室に排気ガスを循環させるときには上記冷却装置を通して排気ガスを燃焼室に循環させ、一方、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されたときには、内燃機関を駆動するための駆動用の燃料噴射の前に補助的な燃料噴射を実行し、これら駆動用の燃料噴射と補助的な燃料噴射とによって燃焼室内の混合気の平均空燃比をリッチとすることにより排気ガスの空燃比をリッチとすると共に、上記バイパス通路を介して冷却装置をバイパスさせた排気ガスを燃焼室に循環させるようにしたことを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
燃焼室内の混合気中の排気ガスの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、燃焼室内の混合気中の排気ガスの量をさらに増大していくと燃焼室内における燃料燃焼時の燃料およびその周囲の温度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り、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも燃焼室内の混合気中の排気ガス量が多い状態で燃料を燃焼させる第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも燃焼室内の混合気中の排気ガス量が少ない状態で燃料を燃焼させる第２の燃焼とを選択的に行わせることができ、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されたときには、第１の燃焼が行われることを特徴とする請求項１または３に記載の内燃機関。
【請求項５】
流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯＸを保持し且つ流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯＸを還元剤によって還元浄化することができるＮＯＸ触媒を排気通路に備え、ＮＯＸ触媒に保持されているＮＯＸの量が予め定められた量に達したときに、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されることを特徴とする請求項１または３に記載の内燃機関。
【請求項６】
流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯＸを保持し且つ流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯＸを還元剤によって還元浄化することができるＮＯＸ触媒を排気通路に備え、ＮＯＸ触媒が排気ガス中の硫黄成分をも保持することができ、ＮＯＸ触媒が硫黄成分を保持することによってＮＯＸ触媒が保持可能なＮＯＸの量が予め定められた量よりも少なくなったときに、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されることを特徴とする請求項１または３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】
排気通路にＮＯＸ触媒を備えた内燃機関が、特開平１１−３５１０１６号公報に開示されている。ここでのＮＯＸ触媒は、そこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯＸを吸収し、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると吸収しているＮＯＸを放出する機能を有する。ここで、ＮＯＸ触媒が吸収可能なＮＯＸの量には限りがあるので、当該公報では、ＮＯＸ触媒内に吸収されているＮＯＸの量がその最大許容量を超えたときに、燃焼室内の混合気の平均空燃比をリッチとすることによって、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
さて、上記公報のように、燃焼室内の混合気の平均空燃比をリッチとすると、燃焼室内における燃料の燃焼が不安定となる。このことは内燃機関を安定して運転させるべきであるという観点からは好ましくない。そこで、本発明の目的は、リッチ空燃比にて内燃機関を運転せしめるときに燃焼室内において燃料を安定して燃焼させることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁が配置されている内燃機関において、燃焼室から排気通路へと排出された排気ガスを吸気通路を介して再び燃焼室内に循環させるために排気通路と吸気通路とを連結する排気循環通路と、排気弁の開弁期間とそれに続く吸気弁の開弁期間とが重なるオーバラップ期間の時間的な長さを変えるためのオーバラップ期間変更手段とを具備し、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されたときに、内燃機関を駆動するための駆動用の燃料噴射の前に補助的な燃料噴射を実行し、これら駆動用の燃料噴射と補助的な燃料噴射とによって燃焼室内の混合気の平均空燃比をリッチとすることにより排気ガスの空燃比をリッチとすると共に、上記オーバラップ期間変更手段によってオーバラップ期間を長くし且つ排気ガスを上記排気循環通路および吸気通路を介して燃焼室に循環させるようにした。ここで、オーバラップ期間変更手段、駆動用の燃料噴射、ならびに、補助的な燃焼噴射は、後述する実施形態において、それぞれ、オーバラップ期間変更機構、主噴射、ならびに、ビゴム噴射に相当する。
【０００５】
２番目の発明では、１番目の発明において、上記オーバラップ期間変更手段が排気弁の開閉弁タイミングを変更する機構であり、該機構によって排気弁の閉弁タイミングが遅らされることによってオーバラップ期間が長くされる。
【０００６】
上記課題を解決するために、３番目の発明では、燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁が配置され、燃焼室から排気通路へと排出された排気ガスを吸気通路を介して再び燃焼室内に循環させるために排気通路と吸気通路とを連結する排気循環通路を具備し、該排気循環通路内を流れる排気ガスを冷却するための冷却装置を該排気循環通路に備えた内燃機関において、冷却通路をバイパスするバイパス通路を設け、通常、燃焼室に排気ガスを循環させるときには上記冷却装置を通して排気ガスを燃焼室に循環させ、一方、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されたときには、内燃機関を駆動するための駆動用の燃料噴射の前に補助的な燃料噴射を実行し、これら駆動用の燃料噴射と補助的な燃料噴射とによって燃焼室内の混合気の平均空燃比をリッチとすることにより排気ガスの空燃比をリッチとすると共に、上記バイパス通路を介して冷却装置をバイパスさせた排気ガスを燃焼室に循環させるようにした。ここで、駆動用の燃料噴射、ならびに、補助的な燃料噴射は、後述する実施形態において、それぞれ、主噴射、ならびに、ビゴム噴射に相当する。
【０００７】
４番目の発明では、１または３番目の発明において、燃焼室内の混合気中の排気ガスの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、燃焼室内の混合気中の排気ガスの量をさらに増大していくと燃焼室内における燃料燃焼時の燃料およびその周囲の温度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り、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも燃焼室内の混合気中の排気ガス量が多い状態で燃料を燃焼させる第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも燃焼室内の混合気中の排気ガス量が少ない状態で燃料を燃焼させる第２の燃焼とを選択的に行わせることができ、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求されたときには、第１の燃焼が行われる。
ここで、第１の燃焼、ならびに、第２の燃焼は、後述する実施形態において、それぞれ、低温燃焼、ならびに、通常燃焼に相当する。
【０００８】
５番目の発明では、１または３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であるときには排気ガス中のＮＯＸを保持し且つ流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯＸを還元剤によって還元浄化することができるＮＯＸ触媒を排気通路に備え、ＮＯＸ触媒に保持されているＮＯＸの量が予め定められた量に達したときに、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求される。ここで、予め定められた量は、後述する実施形態において、ＮＯＸ触媒が保持可能なＮＯＸの量の上限値に相当する。
【０００９】
６番目の発明では、１または３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であるときには排気ガス中のＮＯＸを保持し且つ流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯＸを還元剤によって還元浄化することができるＮＯＸ触媒を排気通路に備え、ＮＯＸ触媒が排気ガス中の硫黄成分をも保持することができ、ＮＯＸ触媒が硫黄成分を保持することによってＮＯＸ触媒が保持可能なＮＯＸの量が予め定められた量よりも少なくなったときに、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出すべきことが要求される。ここで、予め定められた量は、後述する実施形態において、ＮＯＸ触媒が保持することが最低限必要とされるＮＯＸの量（下限値）に相当する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明について説明する。図１は第１実施形態の内燃機関の全体図である。第１実施形態の内燃機関は、いわゆる、圧縮着火式の内燃機関である。図１において、１は機関本体、２は燃焼室、３は燃料噴射弁である。
燃料噴射弁３は燃料タンク（図示せず）から供給される燃料を一時的に溜めておくためのいわゆるコモンレール４に接続されており、各燃料噴射弁３には、このコモンレール４から燃料が供給される。また、燃焼室２は吸気ポート５を介して吸気枝管６に接続されている。これら吸気枝管６はサージタンク７に接続されている。サージタンク７は吸気管８を介して排気ターボチャージャ９のコンプレッサ１０に接続されている。吸気管８には、燃焼室２に吸入される空気を冷却するための冷却装置１１が取り付けられている。また、吸気管８内には、燃焼室２に吸入される空気の量を制御するためのスロットル弁１２が配置されている。以下、吸気ポート５、吸気枝管６、サージタンク７、および、吸気管８を総称して吸気通路と称す。
【００１１】
一方、燃焼室２は排気ポート１３を介して排気枝管１４に接続されている。これら排気枝管１４は共通の排気管１５に接続されている。排気管１５は排気ターボチャージャ９のタービン１６に接続されている。また、タービン１６下流の排気管１５はＮＯＸ触媒１７を収容したケーシング１８に接続されている。さらに、タービン１６下流であってＮＯＸ触媒１７上流の排気管１５には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１９が取り付けられている。空燃比センサ１９は燃焼室２内の混合気の空燃比を目標空燃比とすべきときに用いられる。以下、排気ポート１３、排気枝管１４、および、排気管１５を総称して排気通路と称す。
【００１２】
また、燃焼室２から排出された排気ガスを燃焼室２へと再び循環させることができるように、排気枝管１４とサージタンク７とが排気循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２０によって連結されている。また、ＥＧＲ通路２０内には酸化触媒２１が配置されている。また、この酸化触媒２１下流のＥＧＲ通路２０には、その中を流れる排気ガスを冷却するための冷却装置２２が取り付けられている。さらに、この冷却装置２２下流のＥＧＲ通路２０には、サージタンク７内へ排出される排気ガスの量を制御するためのＥＧＲ制御弁２３が配置されている。第１実施形態では、このＥＧＲ制御弁２３によって、後述するように機関運転状態に応じて燃焼室２に再び循環せしめられる排気ガスの量が制御される。
【００１３】
図２は第１実施形態の内燃機関の断面図である。図２において、１は機関本体、２は燃焼室、３は燃料噴射弁、５は吸気ポート、１３は排気ポート、２４はシリンダブロック、２５はシリンダヘッド、２６はピストン、２７は吸気弁、２８は排気弁である。第１実施形態では、燃料噴射弁３は燃焼室２内に燃料を直接噴射するように配置されている。
【００１４】
また、第１実施形態では、排気弁２８には、その開閉弁タイミング、特に、閉弁タイミングを変えることによって、排気弁２８の開弁期間とそれに続く吸気弁２７の開弁期間とが重なる期間（以下、オーバラップ期間と称す）の時間的な長さを変えることができるオーバラップ期間変更機構２９が接続されている。第１実施形態では、このオーバラップ期間変更機構２９によって、後述するように機関運転状態に応じて排気弁２８の開閉弁タイミングが変更せしめられる。
【００１５】
ところで、燃焼室２に供給される燃料の量に対する燃焼室２に吸入される空気の量の比を排気ガスの空燃比と称した場合、第１実施形態のＮＯＸ触媒１７は、そこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯＸ）を吸収することによって、或いは、吸着させることによってＮＯＸを保持する。一方、ＮＯＸ触媒１７は、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると、保持しているＮＯＸを放出すると共に排気ガス中の還元剤、特に、未燃炭化水素（ＨＣ）によってＮＯＸを還元浄化する。
【００１６】
ここで、ＮＯＸ触媒１７が保持可能なＮＯＸの量には限界があるので、ＮＯＸ触媒１７が保持しているＮＯＸの量（以下、ＮＯＸ保持量と称す）がその上限値に達してしまうと、もはや、ＮＯＸ触媒１７は排気ガス中のＮＯＸを保持することができず、ＮＯＸ触媒１７下流にＮＯＸが流出してしまうことになる。したがって、ＮＯＸ触媒１７下流にＮＯＸが流出してしまうことを抑制するためには、ＮＯＸ保持量がその上限値に達する前に、ＮＯＸ触媒１７に保持されているＮＯＸを還元浄化すべきである。
【００１７】
そこで、第１実施形態では、ＮＯＸ触媒１７に保持されているＮＯＸを還元浄化することが要求されたときには、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとすることによって燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出させ、これにより、ＮＯＸ触媒１７にリッチ空燃比の排気ガスが供給されるようにしている。すなわち、第１実施形態では、燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出することが要求されたとき（以下、リッチ要求時と称す）に、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとするようにしている。これによれば、ＮＯＸ触媒１７にリッチ空燃比の排気ガスが流入するので、ＮＯＸ触媒１７に保持されているＮＯＸが排気ガス中の未燃ＨＣによって還元浄化されることとなる。
【００１８】
ところで、一般的に、燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出するために燃焼室２内の混合気の平均空燃比がリッチとされると、燃焼室２内における燃料の燃焼が不安定になる。このことは、内燃機関を安定して運転せしめるという観点からは好ましくない。そこで、第１実施形態では、燃焼室２内において燃料を安定して燃焼させるために、以下のような燃料噴射制御を実行するようにしている。
【００１９】
すなわち、第１実施形態では、燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出することが要求されていないとき、すなわち、通常時においては、図３（Ａ）のＱｍで示されているように、圧縮上死点ＴＤＣ直後のタイミングにて、主に内燃機関を駆動するために燃料を噴射する燃料噴射（以下、主噴射と称す）が実行される。
【００２０】
一方、第１実施形態では、燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出することが要求されているとき（リッチ要求時）においては、図３（Ｂ）のＱｖで示されているように、排気上死点ＴＤＣ直前であって吸気弁が開弁する直前のタイミングにて、補助的に少量の燃料を噴射する燃料噴射（以下、ビゴム噴射と称す）が実行され、次いで、図３（Ｂ）に示されているように、圧縮上死点ＴＤＣ直後のタイミングにて、主噴射が実行される。
【００２１】
このように、ビゴム噴射が実行されることによって、主噴射が実行されるときには既に燃焼室２内には少量ではあるが燃料が均一に分散しているので、主噴射によって噴射された燃料が着火しやすい。したがって、これによれば、燃焼室２内において燃料が安定して燃焼することとなる。
【００２２】
なお、第１実施形態では、ビゴム噴射によって燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチ空燃比としてもよいし、主噴射によって噴射される燃料の量を増量することによって燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとしてもよいし、ビゴム噴射と主噴射とによって噴射されるトータルの燃料の量が通常の燃料噴射量よりも多くなるようにビゴム噴射および主噴射によって噴射される燃料の量を制御することによって燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとしてもよい。
【００２３】
ところで、第１実施形態では、燃焼室２内において燃料を安定して燃焼させるために、以下のようなオーバラップ期間制御を実行するようにしている。すなわち、第１実施形態では、通常時において、排気弁２８は図３（Ａ）の符号ＥＸで示されているように膨張下死点ＢＤＣから排気上死点ＴＤＣまでの間、開弁せしめられ、吸気弁２７は図３（Ａ）の符号ＩＮで示されているように排気上死点ＴＤＣ直前から吸気下死点ＢＤＣまでの間、開弁せしめられている。したがって、排気弁２８の開弁期間とそれに続く吸気弁２７の開弁期間とは一部の期間で重なっている。
【００２４】
一方、第１実施形態では、リッチ要求時において、ビゴム噴射が実行されたときに排気弁２８が開弁しているように、排気弁２８は図３（Ｂ）に符号ＥＸで示されているように膨張下死点ＢＤＣから排気上死点ＴＤＣ後までの間、開弁せしめられ、吸気弁２７は、通常時と同様に、図３（Ｂ）に符号ＩＮで示されているように排気上死点ＴＤＣ直前から吸気下死点ＢＤＣまでの間、開弁せしめられている。すなわち、リッチ要求時においては、排気弁２８の閉弁タイミングが通常時の閉弁タイミングよりも遅らされている。したがって、リッチ要求時におけるオーバラップ期間は、通常時におけるオーバラップ期間よりも長くされている。
さらに、第１実施形態では、リッチ要求時には、ＥＧＲ通路２０を介して排気ガスが燃焼室２に循環されるようにＥＧＲ制御弁２３が開弁せしめられている。
【００２５】
このように、オーバラップ期間が長くされ且つＥＧＲ通路２０を介して排気ガスが燃焼室２に循環されるようになっていると、リッチ空燃比の排気ガス、すなわち、少量ではあるが燃料を含んでいる排気ガスが燃焼室２に循環せしめられることとなる。これによれば、主噴射が実行されるときには既に燃焼室２内には少量ではあるが燃料が均一に分散しているので、主噴射によって噴射された燃料が着火しやすい。したがって、これによれば、燃焼室２において燃料がさらに安定して燃焼することとなる。
【００２６】
ところで、第１実施形態の内燃機関では、ＥＧＲ制御弁２３の開度を制御することによって、ＥＧＲ通路２０を介して燃焼室内の供給される排気ガスの量、すなわち、混合気中の排気ガスの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する。そして、燃焼室２内の混合気中の排気ガスの量をさらに増大していくと燃焼室２内における燃料燃焼時の燃料およびその周囲の温度が煤の生成温度よりも低くなり、したがって、煤がほとんど発生しなくなる。
【００２７】
こうした煤の発生メカニズムを考慮して、第１実施形態の内燃機関は、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも燃焼室２内の混合気中の排気ガス量が多い状態で、燃料を燃焼させるいわゆる低温燃焼と、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも燃焼室２内の混合気中の排気ガス量が少ない状態で、燃料を燃焼させるいわゆる通常燃焼とを選択的に行わせることができるようになっている。
【００２８】
そして、第１実施形態では、図４に示したように、機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとの関係に基づいて機関運転領域を２つの領域Ｉ、ＩＩに分割し、機関運転状態が第１の領域Ｉにあるときには低温燃焼でもって燃料を燃焼させ、一方、機関運転状態が第２の領域ＩＩにあるときには通常燃焼でもって燃料を燃焼させるようにしている。ここで、第１の領域Ｉは、機関回転数Ｎが比較的小さく且つ要求負荷Ｌも比較的小さい機関運転領域であり、第２の領域ＩＩは機関回転数Ｎが比較的大きいか、或いは、要求負荷が比較的大きい機関運転領域である。
【００２９】
ところで、低温燃焼でもって燃料が燃焼せしめられるとき（以下、低温燃焼時と称す）に燃焼室２内に循環せしめられる排気ガスの量は、通常燃焼でもって燃料が燃焼せしめられているとき（以下、通常燃焼時と称す）に燃焼室２内に循環せしめられる排気ガスの量よりも多いので、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとするために必要な燃料の量が少ない。このことは燃費の観点から好ましい。
【００３０】
そこで、第１実施形態では、リッチ要求時であっても通常燃焼でもって燃料が燃焼せしめられているときには、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとはせずに、リッチ要求時であって低温燃焼でもって燃料が燃焼せしめられているときにのみ、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとするようにしている。もちろん、場合によっては、通常燃焼時に燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとすることが要求された場合、強制的に、低温燃焼でもって燃料を燃焼させるようにした上で、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとするようにしてもよい。
【００３１】
なお、低温燃焼時、特に、低温燃焼時であって要求負荷が非常に小さいときに燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとすると、燃焼室２内における燃料の燃焼が不安定になるが、上述したように、第１実施形態では、ビゴム噴射が実行され、しかも、排気弁２８の開弁期間とそれに続く吸気弁２７の開弁期間とのオーバラップ期間が長くされることによって、燃焼室２内において燃料が安定して燃焼せしめられるようになっているので、低温燃焼時であって要求負荷が非常に小さいときに燃焼室２内の混合気の平均空燃比がリッチとされたとしても、燃焼室２内において燃料は安定して燃焼せしめられる。
【００３２】
なお、ＥＧＲ通路２０に配置された酸化触媒２１はそこに流入する排気ガス中の未燃ＨＣを酸化する。これによれば、過剰な量の未燃ＨＣが冷却装置２２やＥＧＲ制御弁２３に流入することがなくなるので、これら冷却装置２２やＥＧＲ制御弁２３に未燃ＨＣが付着することによってこれら冷却装置２２やＥＧＲ制御弁２３が動作しなくなってしまうことが抑制される。
【００３３】
次に、図５を参照して、第２実施形態の内燃機関について説明する。なお、以下、第２実施形態の内燃機関に関して説明しない構成については、基本的に、第１実施形態の構成と同様である。図５に示されているように、第２実施形態の内燃機関では、酸化触媒２１下流のＥＧＲ通路２０から冷却装置２２をバイパスして冷却装置２２下流のＥＧＲ通路２０まで延びるバイパス通路３０が設けられている。また、ＥＧＲ通路２０からバイパス通路３０が分岐する部位には、排気ガスを冷却装置２２へと流入させるか、或いは、バイパス通路３０へと流入させるかを切り換えるための切換弁３１が配置されている。
【００３４】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、ＮＯＸ触媒１７に保持されているＮＯＸを還元浄化することが要求されたときには、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとすることによって燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出させ、これにより、ＮＯＸ触媒１７にリッチ空燃比の排気ガスが供給されるようにしている。すなわち、リッチ要求時に、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとするようにしている。
【００３５】
ところで、上述したように、燃焼室からリッチ空燃比の排気ガスを排出するために燃焼室２内の混合気の平均空燃比がリッチとされると、燃焼室内における燃料の燃焼が不安定になる。このことは、内燃機関を安定して運転せしめるという観点からは好ましくない。そこで、第２実施形態では、燃焼室内において燃料を安定して燃焼させるために、以下のような切換弁制御を実行するようにしている。
【００３６】
すなわち、第２実施形態では、燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出することが要求されていないとき、すなわち、通常時においては、排気ガスが冷却装置２２に流入するように切換弁３１が制御される。したがって、この場合、燃焼室２には冷却装置２２によって冷却された排気ガスが導入されることとなる。
【００３７】
一方、リッチ要求時においては、排気ガスがバイパス通路３０内に流入するように切換弁３１が制御される。したがって、この場合、燃焼室２には冷却装置２２によって冷却されていない排気ガス、すなわち、比較的高温の排気ガスが導入される。このように燃焼室２に導入される排気ガスの温度が比較的高いと、燃焼室２内に噴射される燃料が着火しやすい。したがって、これによれば、燃焼室２内において燃料が安定して燃焼することとなる。
【００３８】
なお、第２実施形態では、切換弁３１上流に酸化触媒２１が配置されているので、リッチ要求時にバイパス通路３０に流入する排気ガスは、酸化触媒２１における排気ガス中の未燃ＨＣの酸化反応によって加熱され、その温度が高められている。したがって、このことからも、燃焼室２に導入される排気ガスの温度は高いと言え、したがって、燃焼室２内において燃料が安定して燃焼することとなる。
【００３９】
なお、第２実施形態の内燃機関も低温燃焼と通常燃焼とを選択的に行わせることができるようになっており、機関運転状態が図４の領域Ｉにあるときには低温燃焼でもって燃料が燃焼せしめられ、一方、機関運転状態が図４の領域ＩＩにあるときには通常燃焼でもって燃料が燃焼せしめられる。
【００４０】
そして、第２実施形態においても、リッチ要求時であっても通常燃焼でもって燃料が燃焼せしめられているときには、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとはせずに、リッチ要求時であって低温燃焼でもって燃料が燃焼せしめられているときにのみ、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとするようにしている。もちろん、場合によって、リッチ要求時に通常燃焼でもって燃料が燃焼せしめられている場合、強制的に、低温燃焼でもって燃料を燃焼させるようにした上で、燃焼室２内の混合気の平均空燃比をリッチとするようにしてもよい。
【００４１】
なお、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせてもよい。
【００４２】
次に、低温燃焼について詳しく説明する。図６は、要求負荷が小さいときにスロットル弁１２の開度および燃焼室２内の混合気中の排気ガスの量（以下、ＥＧＲ率と称す）を変化させることによって、空燃比Ａ／Ｆ（図６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した実験例を表している。
【００４３】
図６から分かるように、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。
【００４４】
図６に示したように、ＥＧＲ率を増大することによって空燃比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且つ空燃比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。さらにＥＧＲ率を高めて空燃比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。さらにＥＧＲ率を高めて空燃比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て空燃比Ａ／Ｆを１５．０付近とすると、スモークがほぼ零となる。すなわち、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　の発生量がかなり少なくなる。一方、このとき、ＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００４５】
すなわち、上述した実施形態において、ＥＧＲ率が６５パーセント以上となるように燃焼室２内に排気ガスを循環させた状態にて、燃料を燃焼させる燃焼形態が低温燃焼であり、ＥＧＲ率が６５パーセント以下となるように燃焼室２内に排気ガスを循環させた状態にて、燃料を燃焼させる燃焼形態が通常燃焼である。
【００４６】
なお、上記実施形態では、ＮＯＸ触媒１７に保持されているＮＯＸを還元浄化することが要求されたことをもって、燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出することが要求されたとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４７】
例えば、ＮＯＸ触媒１７は排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯＸ）をも保持してしまい、このようにＮＯＸ触媒１７が保持しているＳＯＸの量（以下、ＳＯＸ保持量と称す）が多くなるほど、ＮＯＸ触媒１７が保持可能なＮＯＸの量（以下、最大ＮＯＸ保持可能量と称す）が少なくなってしまう。したがって、最大ＮＯＸ保持可能量をできるだけ多く維持するためには、ＮＯＸ触媒１７に保持されているＳＯＸを何らかの方法によって除去すべきである。
【００４８】
ここで、ＳＯＸは、ＮＯＸ触媒１７の温度が比較的高くなり且つＮＯＸ触媒１７に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると、ＮＯＸ触媒１７から除去されることが分かっている。そこで、上記実施形態において、ＮＯＸ触媒１７にＳＯＸが保持されていることによってＮＯＸ触媒１７の最大ＮＯＸ保持可能量が、ＮＯＸ触媒１７が保持することが最低限必要とされるＮＯＸの量（下限値）に達したときに、ＮＯＸ触媒１７に保持されているＳＯＸを除去することが要求され、これをもって、燃焼室２からリッチ空燃比の排気ガスを排出することが要求されたとしてもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態におけるＮＯＸ触媒１７の代わりに、ＮＯＸ触媒を担持したパティキュレートフィルタを排気通路に備えた内燃機関にも本発明は適用可能である。最後に、このＮＯＸ触媒を担持したパティキュレートフィルタについて説明する。
【００５０】
図７（Ａ）はパティキュレートフィルタの端面図であり、図７（Ｂ）はパティキュレートフィルタの縦断面図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示したように、パティキュレートフィルタ（以下、フィルタと称す）３２はハニカム構造をなす隔壁５４を具備する。
【００５１】
これら隔壁５４によって互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１が形成される。これら排気流通路のうち略半数の排気流通路５０がその下流端開口を栓５２で閉鎖されている。以下、これら排気流通路５０を排気ガス流入通路と称す。一方、残りの半数の排気流通路５１はその上流端開口を栓５３で閉鎖されている。以下、これら排気流通路５１を排気流出通路５１と称す。排気ガス流入通路５０には４つの排気ガス流出通路５１が隣接する。一方、排気ガス流出通路５１には４つの排気ガス流入通路５０が隣接する。
【００５２】
排気ガスは排気ガス流入通路５０に流入する。隔壁５４はコージェライトのような多孔質材料からなるので、図７（Ｂ）において矢印で示したように、排気ガス流入通路５０内の排気ガスは、隔壁５４の細孔を通って、隣接する排気ガス流出通路５１内に流れ込む。
【００５３】
フィルタ３２内には、隔壁５４の両壁面上、および、隔壁５４の細孔を画成する壁面上に全面に亘って、例えば、アルミナからなる担体層が形成され、この担体層上に、貴金属触媒と、活性酸素生成剤とが担持されている。貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）が用いられる。一方、活性酸素生成剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）のようなアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）のような希土類、鉄（Ｆｅ）のような遷移金属、およびスズ（Ｓｎ）のような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられる。
【００５４】
活性酸素生成剤は、周囲に過剰な酸素が存在すると酸素を吸収によって保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持している酸素を活性酸素の形で解放することによって活性酸素を生成する。次に、活性酸素生成剤の活性酸素生成作用について、担体上に白金およびカリウム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、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な活性酸素生成作用が行われる。
【００５５】
圧縮着火式内燃機関から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。したがって、フィルタ３２に流入する排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。また、圧縮着火式内燃機関の燃焼室２内ではＮＯが発生する。したがって、排気ガス中にはＮＯが含まれている。このため過剰酸素、および、ＮＯを含んだ排気ガスがフィルタ３２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００５６】
図８（Ａ）および（Ｂ）は、隔壁５４上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図８（Ａ）および（Ｂ）において、６０は白金の粒子を示し、６１はカリウムを含んでいる活性酸素生成剤を示している。
【００５７】
排気ガスがフィルタ３２の排気ガス流入通路５０内に流入すると、図８（Ａ）に示したように、排気ガス中の酸素（Ｏ２）がＯ２−またはＯ２−の形で白金の表面に付着する。排気ガス中のＮＯはこれらＯ２−またはＯ２−と反応し、ＮＯ２となる。斯くして生成されたＮＯ２の一部は、白金上で酸化されつつ活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持され、図８（Ａ）に示したように、カリウム（Ｋ）と結合しながら硝酸イオン（ＮＯ３−）の形で活性酸素生成剤６１内に拡散し、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸カリウム（ＫＮＯ３）の形で活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持される。
【００５８】
ここで、燃焼室２内においては主にカーボン（Ｃ）からなる微粒子（煤）が生成される。したがって、排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスが排気ガス流入通路５０内を流れているとき、或いは、隔壁５４の細孔内を通過するときに、図８（Ｂ）において６２で示したように、活性酸素生成剤６１の表面上に接触して付着する。
【００５９】
このように微粒子６２が活性酸素生成剤６１の表面上に付着すると、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。すなわち、活性酸素生成剤６１の周囲の酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素生成剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして、活性酸素生成剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素生成剤６１内に形成されている硝酸カリウム（ＫＮＯ３）がカリウム（Ｋ）と酸素（Ｏ）とＮＯとに分解され、酸素（Ｏ）が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かい、その一方で、ＮＯが活性酸素生成剤６１から外部に放出される。
【００６０】
ここで、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かう酸素は、硝酸カリウムといった化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、したがって、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。こうして活性酸素生成剤６１は活性酸素を生成する。なお、外部に放出されたＮＯは下流側の白金上において酸化され、再び活性酸素生成剤６１内に保持される。
【００６１】
活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素はそこに付着した微粒子を酸化除去するために消費される。すなわち、フィルタ３２に捕集された微粒子は活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素によって酸化除去される。
【００６２】
このように、フィルタ３２に捕集されている微粒子は、反応性の高い活性酸素によって、輝炎を発することなく酸化除去される。このように輝炎を発することのない酸化によって微粒子を除去すれば、フィルタ３２の温度が過剰に高くなることがなく、したがって、フィルタ３２が熱劣化することがない。
【００６３】
さらに、微粒子を酸化除去するために利用される活性酸素は反応性が高いので、フィルタ３２の温度が比較的低くても、微粒子は酸化除去される。すなわち、圧縮点火式内燃機関から排出される排気ガスの温度が比較的低く、このため、フィルタ３２の温度も比較的低いことが多いが、このフィルタ３２では、フィルタ３２の温度を上昇させるための特別な処理を実行しなくても、フィルタ３２に捕集された微粒子は酸化除去され続ける。
【００６４】
なお、活性酸素生成剤６１は周囲に過剰な酸素が存在するとＮＯＸを硝酸イオンの形で保持することによって結果的に酸素を保持する。すなわち、活性酸素生成剤６１は周囲に過剰な酸素が存在するとＮＯＸを吸収によって保持する。一方、活性酸素生成剤６１は周囲の酸素濃度が低下すると硝酸イオンの形で保持されているＮＯＸを解放することによって活性酸素を生成する。すなわち、活性酸素生成剤６１は周囲の酸素濃度が低下するとＮＯＸを解放する。したがって、本発明の活性酸素生成剤６１はＮＯＸ保持剤としても機能する。
【００６５】
ここで、活性酸素生成剤６１周りの酸素濃度が低下する場合とは、上述したように、周囲の雰囲気はリーン雰囲気であるが活性酸素生成剤６１に微粒子が付着した場合の他に、フィルタ３２に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなって周囲の雰囲気がリッチ雰囲気となった場合がある。
【００６６】
周囲の雰囲気はリッチ雰囲気であるが活性酸素生成剤６１に微粒子が付着することで活性酸素生成剤６１周りの酸素濃度が低下した場合に解放されたＮＯＸは、上述したように、再び活性酸素生成剤６１に吸収によって保持される。一方、フィルタ３２に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなって周囲の雰囲気がリッチ雰囲気となった場合に解放されたＮＯＸは、白金の作用によって排気ガス中の炭化水素で還元浄化される。云い換えれば、内燃機関からリッチ空燃比の排気ガスが排出されるように内燃機関の運転を制御すれば、活性酸素生成剤６１に保持されているＮＯＸを還元浄化することができる。したがって、フィルタ３２は、活性酸素生成剤６１と白金とからなるＮＯＸ触媒を具備するものである。
【００６７】
【発明の効果】
１番目の発明によれば、補助的な燃料噴射を実行することによって燃焼室内において燃料が安定して燃焼せしめられると共に、オーバラップ期間を長くし且つ排気ガスを燃焼室に循環させることによってリッチ空燃比の排気ガスが燃焼室に供給され、すなわち、燃焼室に供給される排気ガス中に既に燃料が含まれているので、燃焼室内において燃料がさらに安定して燃焼せしめられる。
【００６８】
３番目の発明によれば、補助的な燃料噴射を実行することによって燃焼室内における燃料が安定して燃焼せしめられると共に、燃焼室に循環せしめられる排気ガスが冷却されておらず、その温度が高いので、燃焼室内において燃料がさらに安定して燃焼せしめられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の内燃機関の全体図である。
【図２】第１実施形態の内燃機関の断面図である。
【図３】排気弁の開弁期間、吸気弁の開弁期間、および、燃料噴射期間を示した図である。
【図４】機関燃焼モードを選択するために用いられるマップを示す図である。
【図５】第２実施形態の内燃機関の全体図である。
【図６】低温燃焼を説明するための図である。
【図７】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図８】パティキュレートフィルタの微粒子酸化作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２…燃焼室
３…燃料噴射弁
５，６，７，８…吸気通路
１３，１４，１５…排気通路
１７…ＮＯＸ触媒
２０…ＥＧＲ通路
２１…酸化触媒
２２…冷却装置
２７…吸気弁
２８…排気弁
２９…オーバラップ期間変更機構
３０…バイパス通路
Ｑｍ…駆動用の燃料噴射
Ｑｖ…補助的な燃料噴射
【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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