(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼に供される吸入空気に含まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を切り換えることが可能な内燃機関であって、
前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え時、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え時に、その内燃機関の排気通路を流れる排気ガスの酸素濃度に基づき、前記の不活性ガスの割合を変化させる燃焼状態切換手段と、
機関運転に伴い排出される排気ガスに還元剤を添加し、その排気通路に設置される排気浄化触媒の排気浄化作用を促す還元剤添加手段と、
燃焼状態を前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態に切り換える過程で、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態に切り換える過程で、排気ガスへの還元剤の添加を所定期間禁止する還元剤添加禁止手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記不活性ガスは、前記排気通路から、その内燃機関の吸気通路に導入されるＥＧＲガスであり、
前記燃焼状態切換手段は、その吸気通路を通じて燃焼室に供給されるＥＧＲガスの供給量を制御するＥＧＲ量制御手段と、その吸気通路を通じて燃焼室に流れ込む空気の流量を制御する空気流量制御手段と、を備え、
吸入空気に含まれる不活性ガスの割合を変化させるときには、前記ＥＧＲガスの供給量および空気流量のうち、その少なくとも一方を加減して所望の燃焼状態に適した目標の割合に収束させ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】
前記燃焼状態切換手段では、その燃焼状態の切り換え開始後、前記ＥＧＲ量制御手段によるＥＧＲガス量の制御を、前記目標の割合に即して決定される制御量を超えた制御量にて所定期間保持することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃焼状態切換手段では、その燃焼状態の切り換え開始後、前記空気流量制御手段による空気流量の制御を、前記の目標の割合に即して決定される制御量を超えた制御量にて所定期間保持することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記第１の燃焼状態、および前記第２の燃焼状態に対応して各燃焼状態固有の燃焼噴射制御が準備されると共に、その燃焼状態の切り換えに応じて、それら燃料噴射
制御を切り換える燃料噴射切換手段を有し、
前記燃焼状態切換手段では、その燃料噴射制御の切り換えに優先して吸入空気に含まれる不活性ガスの割合を変化させることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関。
【請求項６】
燃焼に供される吸入空気に含まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を切り換えることが可能な内燃機関であって、
前記第１の燃焼状態、および前記第２の燃焼状態の各々に準備された各燃焼状態固有の燃料噴射制御と、
前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え要求時、又は前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え要求時に、その要求された燃焼状態に対応した燃料噴射制御に切り換える燃料噴射切換手段と、
燃焼状態の切り換え開始後、その燃料噴射制御を、切り換え前の制御状態で所定時間拘束する燃料噴射制御拘束手段と、を備え、
前記燃料噴射制御拘束手段は、燃焼に供される吸入空気の酸素濃度が、所定の酸素濃度になったとき、その燃焼噴射制御の拘束状態を解除することを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
前記燃料噴射制御拘束手段は、前記の所定時間経過後に、その燃料噴射制御を徐変しながら正規の燃料噴射制御状態に移行させることを特徴とする請求項６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、内燃機関に関し、より詳細には、燃焼温度および酸素濃度が大きく異なる二つの燃焼状態を、適宜選択しながら機関運転を行う内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関や希薄燃焼式ガソリン機関では、煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減するため種々の対策が講じられている。この対策の一つとして、例えば、特許掲載公報（第３０９２５４９７号）に開示された燃焼技術がある。
【０００３】
同特許公報に開示された燃焼技術によれば、燃焼室に供給されるＥＧＲガスの供給量および空気の流量を加減することで、燃焼に供される吸入空気に含まれるＥＧＲガスの割合を調節し、燃焼温度および酸素濃度を大きく異ならせた二つの機関燃焼を可能にしている。
【０００４】
すなわち、高負荷運転時には、ドライバビィリティーを確保すべく、その吸入空気に含まれるＥＧＲガスの割合を適切量に抑えながら通常の燃焼を行い、逆にアイドリング時および低負荷運転時では、ＥＧＲガスの割合を大幅に増大せしめることで燃焼温度及び酸素濃度を低下させ、煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を減らしている。なお、以下の説明では、この燃焼温度及び酸素濃度が低い状態での機関燃焼を「低温燃焼」と称することもある。また、吸入空気に含まれるＥＧＲガスの割合（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋空気量））を単にＥＧＲ率と称することもある。また、窒素酸化物を単に「ＮＯｘ」と称することもある。
【０００５】
ところで、ディーゼル機関等では、その通常の燃焼状態において、Ａ／Ｆ＝３０〜４０に達する空気過多の状態で機関運転が行われており、その燃焼に供される吸入空気中には多量の酸素が存在する。また、この酸素過多の吸入空気を燃焼させるため、その排気ガス中にも多量の酸素が残存する。すなわち、ＥＧＲガスたる排気ガス中には多量の酸素が混入する。
【０００６】
したがって、単にＥＧＲガス量のみを増大させるだけでは、酸素濃度やＥＧＲガス量の変化が緩慢となり、高いＥＧＲ率で実現される低温燃焼への切り換えには、ある程度の時間を要した。また、その切り換え期間中（過渡状態）では、ＥＧＲ率が大きく変動するため燃焼状態が不安定になる。このため従来の内燃機関では、種々のエンジン制御を行うことで、その切り換えに要する時間の短縮、及び安定した燃焼状態の確保に努めていた。
【０００７】
より詳しくは、ＥＧＲ弁の開度増大制御に加え、空気量そのものを減らすことで吸入空気中の酸素濃度を大幅に低下させる吸気絞り制御を行う。また、ＥＧＲガスの過多および空気量の不足による失火の防止や吸気絞り制御に伴うポンピングロスを補う燃料噴射補正制御などの各種エンジン制御を行うことで、低温燃焼を実現していた。なお、吸気絞り制御については、空気量そのものを減らすことでＥＧＲガス量を相対的に増大させる、および吸気通路内の圧力を低下させることでＥＧＲガスの導入量（供給量）を増やすなどの作用も有する。
【０００８】
このように従来の内燃機関では、種々のエンジン制御を行うことで燃焼状態の切り換えを適正化している。なお、上記のエンジン制御は、勿論、通常の燃焼状態に復帰するときにも必要とされ、その処理内容は、適時その目的に見合った制御内容にて処理されている。
【０００９】
また、近年の内燃機関では、ＮＯｘおよび煤などの微粒子の排出量を減らすためその排気通路に排気浄化触媒を備えるものも多い。また、その排気浄化作用は、その排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を低下させることで、その排気浄化作用が促される。尚、排気ガスの空燃比を低下させるとは、排気ガスの残留酸素量に対する未燃燃焼成分の割合を大きくすることを意味し、例えば、排気浄化触媒上流の排気通路に還元剤を添加する、また、燃焼行程後期の気筒内に還元剤たる機関燃料を副噴射することで、その空燃比の低下が促される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで本発明者等は、さらなる鋭意研究によって、上記の燃焼状態の切り換えに関し種々の改善点を見出した。すなわち、燃焼の切り換え期間に相当する過渡状態に着目し、その過渡状態にて生じる種々の問題の改善に努めた。
【００１１】
まず、通常燃焼から低温燃焼に至る過渡状態では、ＥＧＲガスの供給遅れに起因して、発生トルクの変動および燃焼騒音の増加が見られた。また、低温燃焼から通常燃焼に至る過渡状態では、空気の導入遅れに起因して、失火、およびスモークの増加が見られた。これら過渡状態の燃焼不安定に伴う種々の問題は、ドライバビィリティーの向上、エンジン騒音の低減、及びスモークの抑制などの趣旨に反するもので、それらの現象の改善は内燃機関の開発において重要なポイントとなる。
【００１２】
また、燃焼状態の切り換え期間中には、排気ガスの酸素濃度に基づくフィードバック制御が各所でなされる。したがって、上記の還元剤添加がなされると、そのフィードバック制御が破綻する虞がある。
【００１３】
本発明は、このような種々の問題点に鑑みなされたもので、その過渡状態で生じる種々の問題を改善し、ドライバビィリティーの向上、エンジン騒音の低減、およびスモークの抑制などを図れる燃焼改善技術を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記した技術的課題を解決するため、本発明では、以下の構成とした。
すなわち、本発明の内燃機関は、
燃焼に供される吸入空気に含まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を切り換えることが可能な内燃機関であって、
前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え時、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え時に、その内燃機関の排気通路を流れる排気ガスの酸素濃度に基づき、前記の不活性ガスの割合を変化させる燃焼状態切換手段と、
機関運転に伴い排出される排気ガスに還元剤を添加し、その排気通路に設置される排気浄化触媒の排気浄化作用を促す還元剤添加手段と、
燃焼状態を前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態に切り換える過程で、または、前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態に切り換える過程で、排気ガスへの還元剤の添加を所定期間禁止する還元剤添加禁止手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
このように構成された本発明では、還元剤添加手段を設けることで、その機関運転に伴い排出される排気ガスに還元剤を添加し、その添加した還元剤にて排気ガスの空燃比を強制的に低下させている。なお、ここで還元剤添加手段とは、排気浄化触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を添加し得る構成であればよく、例えば、排気通路内への還元剤添加や、燃焼行程後期の気筒内における副噴射等を含む概念である。
【００１６】
また、本発明の内燃機関は、先の従来技術に開示した二つの燃焼状態を切り換えることが可能な内燃機関の一種であり、その切換制御は、排気ガスの酸素濃度に基づきなされている。このため燃焼状態の切り換え時、すなわち第１の燃焼状態、又は第２の燃焼状態に至る過渡状態で、上記の還元剤添加がなされると、その添加の影響を受けて適切な燃焼状態の切り換えが困難になる。したがって、本発明の内燃機関では、前記の還元剤添加手段に加え、その過渡状態における還元剤の添加を禁止する還元剤添加禁止手段をさらに設けることで、速やかな燃焼状態の切り換えを可能にしている。
【００１７】
すなわち、燃焼状態を切り換える過程において、その排気ガス中の酸素濃度を正確に判定し得る手段を実現することで、その誤った判定に伴う燃焼状態の切り換え困難を回避する。よって、過渡期間（過渡状態）での種々の問題が改善される。
【００１８】
また、燃焼状態の切り換えに関し、
前記不活性ガスは、前記排気通路から、その内燃機関の吸気通路に導入されるＥＧＲガスであり、
前記燃焼状態切換手段は、その吸気通路を通じて燃焼室に供給されるＥＧＲガスの供給量を制御するＥＧＲ量制御手段と、その吸気通路を通じて燃焼室に流れ込む空気の流量を制御する空気流量制御手段と、を備え、
吸入空気に含まれる不活性ガスの割合を変化させるときには、前記ＥＧＲガスの供給量および空気流量のうち、その少なくとも一方を加減して所望の燃焼状態に適した目標の割合に収束させる構成としてもよい。
【００１９】
なお、ここでＥＧＲ量制御手段とは、燃焼室に流れ込むＥＧＲガスの供給量を制御（調節）し得るものであればよく、例えば、既存のＥＧＲ弁のみならず、吸気通路と排気通路の差圧を増大させることでＥＧＲガスの導入量を増やす方法など、その制御方法については特に問わない。また、空気流量制御手段も同様に、吸気通路を通じて燃焼室に流れ込む空気の流量を制御（調節）し得るものであればよく、吸気通路に配置された吸気絞り弁での制御や、過給機搭載の内燃機関では過給圧の調節による空気量の調節や、排気絞り弁を備える内燃機関では排気絞り弁による空気量の調節など、その制御方法は任意である。
【００２０】
この構成では、ＥＧＲ量制御手段にてＥＧＲガスの供給量を調節可能とし、空気流量制御手段にて空気の流量を調節可能とし、吸入空気に含まれるＥＧＲガス（不活性ガス）の割合を変化させるときには、それらＥＧＲガスの供給量又は空気流量の少なくとも一方を調節することで、要求された燃焼状態に適した目標の割合に収束させる。すなわち、ＥＧＲガスの供給量を増やせば、吸入空気に含まれるＥＧＲガスの割合は増え、また、空気流量を減らせば、その割合をさらに相対的に増大せしめることとなる。
【００２１】
なお、上記した「目標の割合」とは、第１の燃焼状態および第２の燃焼状態の各々に対して個別に設定される割合であり、例えば、第１の燃焼状態ではその吸入空気に対するＥＧＲガスの割合すなわちＥＧＲ率は、ＥＧＲ率５０％未満（好ましくはＥＧＲ率４５％未満）とされ、第２の燃焼状態では、５５％以上（好ましくは６５％以上）の割合に設定している。なお、ここで例示した数値はあくまでも一例であり、内燃機関の燃焼特性、走行状況、運転環境などを考慮して、その数値は、勿論、適宜変更されるものである。
【００２２】
また、前記のＥＧＲ量制御手段、および空気流量制御手段に関し、
前記燃焼状態切換手段では、その燃焼状態の切り換え開始後、前記ＥＧＲ量制御手段によるＥＧＲガス量の制御を、前記目標の割合に即して決定される制御量を超えた制御量にて所定期間保持するようにしてもよい。
また、燃焼状態の切り換え開始後、前記空気流量制御手段による空気流量の制御を、前記の目標の割合に即して決定される制御量を超えた制御量にて所定期間保持するようにしてもよい。
【００２３】
この構成では、通常、目標の割合に即して決定されるべき制御量を超えて、ＥＧＲ量制御手段、および空気流量制御手段を制御する。すなわち、ＥＧＲガス量や空気量は実際の要求に遅れて変化するため、燃焼状態の切り換え開始後、その制御量を所定期間オーバーシュートさせることで、それらＥＧＲガス、および空気の応答遅れを抑制する。
【００２４】
また、燃焼状態の切り換えに関し、
前記第１の燃焼状態、および前記第２の燃焼状態に対応して各燃焼状態固有の燃焼噴射制御が準備されると共に、その燃焼状態の切り換えに応じて、それら燃料噴射制御を切り換える燃料噴射切換手段を有し、
前記燃焼状態切換手段では、その燃料噴射制御の切り換えに優先して吸入空気に含まれる不活性ガスの割合を変化させてもよい。
【００２５】
本発明の内燃機関では、吸入空気に含まれる不活性ガスの割合を変化させることで燃焼状態を切り換えるが、同時に燃料噴射制御もその切り換え要求に応じて適時変更する。すなわち、第１の燃焼状態に対応する燃焼噴射制御と、第２の燃焼状態に対応する燃料噴射制御とを準備しておき、それらを燃料噴射切換手段にて切り換えることで各燃焼状態に適した燃料噴射制御を実現する。また、その燃料噴射制御の切り換えに先立ち、不活性ガスの割合を変化させることで、燃焼に供される空気と不活性ガスの割合を安定させ、燃料噴射制御の切り換えに対応できる状況を作り出している。
【００２６】
また、本発明では、上記した技術的課題を解決するため、以下の構成とすることもできる。
すなわち、本発明の内燃機関は、
燃焼に供される吸入空気に含まれる不活性ガスの割合が所定量に近づくと、その燃焼時に生成される煤の生成量が次第にピークに達し、その割合をさらに大きくすると煤の生成量が減少する燃焼特性を有し、さらに、その不活性ガスの割合を前記所定量未満に抑えることで煤の発生を抑制する第１の燃焼状態と、不活性ガスの割合を前記所定量を超える領域に保持することで煤の発生を抑制する第２の燃焼状態と、を切り換えることが可能な内燃機関であって、
前記第１の燃焼状態、および前記第２の燃焼状態の各々に準備された各燃焼状態固有の燃料噴射制御と、
前記第１の燃焼状態から前記第２の燃焼状態への切り換え要求時、又は前記第２の燃焼状態から前記第１の燃焼状態への切り換え要求時に、その要求された燃焼状態に対応した燃料噴射制御に切り換える燃料噴射切換手段と、
燃焼状態の切り換え開始後、その燃料噴射制御を、切り換え前の制御状態で所定時間拘束する燃料噴射制御拘束手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２７】
このように構成された内燃機関では、第１の燃焼状態に対応する燃焼噴射制御、および第２の燃焼状態に対応する燃料噴射制御を準備しておき、それらを燃料噴射切換手段にて切り換えることで各燃焼状態に適した燃料噴射制御を実施する。また、燃焼状態の切り換え開始後、噴射制御拘束手段にて、その燃料噴射制御を切り換え前の制御状態で所定時間拘束する。
【００２８】
すなわち、吸入空気に含まれ不活性ガス（ＥＧＲガス）の割合が目標の割合に到達する以前に燃焼噴射制御が切り換えられると、本来、適切な燃料噴射制御の切り換えとなるべきところ不適切な切り換えとなってしまう。そこで、燃料噴射制御を切り換え前の制御状態で所定時間拘束することにより、燃料噴射制御の切り換えタイミングを適正化する。
【００２９】
なお、ここで所定時間とは、上記の事情を加味して設定されるもので、燃焼室内の空燃比（空気と不活性ガスの割合）が、所定の割合に達する迄に要する時間などで設定するのが望ましい。また、所定の割合に達する迄に要する時間は、各種予備実験にて求めることもできるし、また、機関運転時に取得可能な種々のデータからも推定でき、その時間の算出は種々の方法による。
【００３０】
また、前記噴射制御拘束手段に関し、
前記燃料噴射制御拘束手段は、前記の所定時間経過後に、その燃料噴射制御を徐変しながら正規の燃料噴射制御状態に移行させるようにしてもよい。
【００３１】
この構成では、燃料噴射制御の切り換えにおいて、徐変制御を行う。尚、徐変制御とは、燃焼噴射量や、燃焼噴射時期、燃焼噴射圧等を徐々に変化させ、所定の期間内に所望の燃料噴射状態に移行させる制御である。
【００３２】
また、前記噴射制御拘束手段に関し、
前記燃料噴射制御拘束手段は、燃焼に供される吸入空気の酸素濃度が、所定の酸素濃度になったとき、その燃焼噴射制御の拘束状態を解除するようにしてもよい。すなわち、燃焼室に供給される吸入空気の酸素濃度が所定の酸素濃度になっていれば、吸入空気に対する不活性ガスの割合が目標の割合になっていると言え、この条件に基づいて拘束状態を解除するか否かを決定する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関に関し、その好適な実施形態について説明する。
尚、以下に示す内燃機関の構造は、あくまでも本発明の一実施形態にすぎず、その詳細は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で任意に変更可能である。
【００３４】
＜ディーゼル機関の概要＞
図１に示すように、本実施の形態に示す内燃機関１は、ディーゼル機関であり、燃焼室を形成する４つの気筒２の他、燃料供給系、吸気系、排気系、制御系などをその主要構成要素として備えている。
【００３５】
燃料供給系は、燃料噴射弁３、蓄圧室（以下、コモンレールと称す）４、燃料供給管５、燃料ポンプ６、などを備え、各気筒２に対して燃料供給を行っている。燃料噴射弁３は、各気筒２に対して夫々設けられる電磁駆動式の開閉弁であり、各燃料噴射弁３は、燃料の分配管となるコモンレール４に接続されている。また、コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６に連結されている。燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸たるクランクシャフト１ａの回転を駆動源として回転駆動されている。
【００３６】
このように構成された燃料供給系では、まず、燃料ポンプ６によって燃料タンク（図示略）内の燃料が汲み上げられる。汲み上げられた燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４に供給される。続いて、コモンレール４に供給された燃料は、コモンレール４内にて所定燃圧まで高められ、各燃料噴射弁３に分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電圧が印可され燃料噴射弁３が開弁すると、その燃料は、燃料噴射弁３を介して気筒２内に噴射される。
【００３７】
一方、吸気系は、吸気管９、スロットル弁１３、吸気枝管８、エアクリーナボックス１０、インタークーラ１６などを備え、各気筒２に対して空気を供給する吸気通路を形成している。
【００３８】
吸気管９は、エアクリーナボックス１０を介して吸入される空気（新気）を吸気枝管８に導く通路を形成している。吸気枝管８は、吸気管９を経て流入する空気を各気筒２に分配する通路を形成している。また、吸気管９とエアクリーナボックス１０との連結部分近傍には、吸気管９に流入する空気量を計測するエアフロメータ１１、及びその空気の温度を測定する吸気温センサ１２を備えている。
【００３９】
また、吸気枝管８の直上流には、空気の流量を調節するスロットル弁１３（吸気絞り弁）が設けられている。スロットル弁１３は、ステッパモータなどにて構成されたアクチュエータ１４により開閉され、アクチュエータ１４は、後述の電子制御ユニット３０内にて処理される燃焼状態切換制御プログラム等に基づき制御されている。また、スロットル弁１３の直下流には、吸気枝管８内の温度を測定する吸気温センサ２４、及び吸気枝管８内の管内圧力を測定する過給圧センサ２３が設けられている。
【００４０】
また、エアクリーナボックス１０からスロットル弁１３に至る吸気通路中には、空気を圧縮するターボチャージャ１５のコンプレッサハウジング１５ａ、及びコンプレッサハウジング１５ａ内にて圧縮された吸気を冷却するインタークーラ１６が設けられている。
【００４１】
このように構成された吸気系では、まず、機関運転に伴う負圧の発生により各気筒２に供給されるべき空気がエアクリーナボックス１０に流入する。エアクリーナボックス１０内に流入した空気は、そのエアクリーナボックス１０内にて塵や埃を除去された後、吸気管９を経てターボチャージャ１５のコンプレッサハウジング１５ａに流入する。コンプレッサハウジング１５ａに流入した空気は、コンプレッサホイール（図示略）にて圧縮された後、インタークーラ１６によって冷却される。そして、必要に応じてスロットル弁１３での流量調節を受けた後、吸気枝管８内に流入する。吸気枝管８に流入した空気は、各枝管を介して各気筒２に分配され、燃料噴射弁３から噴射供給された燃料と共に燃焼される。尚、各種センサの出力は、後述の電子制御ユニット３０に入力されており、例えば、電子制御ユニット３０内にて処理される燃料噴射制御（基本エンジン制御）などにフィードバックされる。
【００４２】
排気系は、排気枝管１８、排気管１９を備え、機関燃焼に伴い各気筒２から排出される排気ガスを機関外部に排出する排気通路を形成している。また、ＥＧＲ装置２０、触媒コンバータ５２、還元剤添加装置６０などを備え、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）や煤などの微粒子を浄化せしめる排気浄化装置としての機能を有している。
【００４３】
排気枝管１８は、各気筒２毎に設けられた排気ポート１８ａに接続すると共に各排気ポート１８ａから流出した排気ガスを集合してターボチャージャ１５のタービンハウジング１５ｂに導く通路を形成している。また、排気管１９は、タービンハウジング１５ｂから図示しない消音器までの通路を形成している。
【００４４】
排気浄化装置の一つであるＥＧＲ装置２０は、ＥＧＲ通路２５、ＥＧＲ弁２６、ＥＧＲクーラ２７等を備え、機関燃焼に伴い生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を減少している。ＥＧＲ通路２５は、機関本体１を迂回して排気枝管１８と吸気枝管８とを接続する通路を形成している。ＥＧＲ弁２６は、ＥＧＲ通路２５中に設けられた電気式の開閉弁であり、電子制御ユニット３０内にて処理される燃焼状態切換制御プログラム等に基づき、そのＥＧＲ通路２５内を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）の流量調節を行っている。ＥＧＲクーラ２７は、機関冷却水を熱媒体としてそのＥＧＲ通路２５内を流れる排気ガスの冷却を行っている。なお、以下の説明では、ＥＧＲ通路２５を流れる排気ガスをＥＧＲガスと称することもある。
【００４５】
このように構成されたＥＧＲ装置２０によれば、排気枝管１８内を流れる排気ガスの一部が、ＥＧＲ弁２６の開弁量に即した流量でＥＧＲ通路２５内に流入する。ＥＧＲ通路２５内に流入したＥＧＲガス（排気ガス）は、ＥＧＲ通路２５の経路中に配置されたＥＧＲクーラ２７内に流入する。ＥＧＲクーラ２７内に流入したＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ２７を通過する際に冷却されて吸気枝管８に流れ込む。そして、吸気枝管８内に流入したＥＧＲガスは、吸気枝管８上流から流れ込む空気（新気）と混ざり合いつつ吸入空気を形成し、各気筒２に流入したＥＧＲガス混じりの吸入空気は、燃料噴射弁３から噴射された燃料と共に燃焼される。すなわち、本発明で、燃焼に供される吸入空気とは、空気（新気）とＥＧＲガスの混合気体である。
【００４６】
尚、ＥＧＲガスとなる排気ガス中には、水蒸気（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などの不活性ガスが含まれている。このため空気と共にその不活性ガスを含む排気ガスが各気筒２内に流入すると、その不活性ガスの混入に起因して燃焼時の燃焼温度は低下する。その結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が抑制されることとなる。
【００４７】
続いて、排気浄化装置の一つである触媒コンバータ５２について説明する。
触媒コンバータ５２は、ケーシング５３およびそのケーシング５３内に設けられる各種排気浄化触媒５２ａ，５２ｂから構成され、機関本体１から排出される排気ガス中の有害物質を浄化せしめる排気浄化作用を有する。
【００４８】
より詳しくは、タービンハウジング１５ｂの出口近傍に配置され、そのケーシング５３内には、上流側から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａ、パティキュレートフィルタ５２ｂの順に排気浄化触媒が配置されている。なお、以下の説明では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａを単にＮＯｘ触媒５２ａと称することもある。また、窒素酸化物（ＮＯｘ）を単にＮＯｘと称することもある。
【００４９】
排気浄化触媒の一つであるＮＯｘ触媒５２ａは、排気ガス中のＮＯｘを主として浄化せしめる排気浄化作用を有している。より詳しくは、ＮＯｘ触媒５２ａに流れ込む排気ガスの酸素濃度が高いときにその排気ガス中のＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低いとき、すなわちＮＯｘ触媒５２ａに流れ込む排気ガスの空燃比が低いときにその吸収していたＮＯｘを二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）の形で排気ガス中に還元・放出し、排気ガス中に含まれる未燃燃焼成分（ＣＯ，ＨＣ）と反応させることで、水蒸気（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化浄化せしめる排気浄化作用を備えている。
【００５０】
また、その組成は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体として、この担体上にカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、若しくはバリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類、又はランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とを担持させてなる。
【００５１】
なお、ここで排気浄化作用の補足説明を行うと、ディーゼル機関では、通常、酸素過剰雰囲気下で機関燃焼が行われている。このため燃焼に伴い排出される排気ガス中の酸素濃度は、上記の還元・放出作用を促す迄に低下することは殆どなく、また、排気ガス中に含まれる未燃燃焼成分（ＣＯ，ＨＣ）の量も極僅かである。このため本実施の形態では、還元剤たる機関燃料（ＨＣ）を排気ガス中に噴射供給することで、酸素濃度の低下を促すと共にその未燃燃焼成分たる炭化水素（ＨＣ）等を補い、排気浄化作用を促進させている。なお、還元剤の噴射供給は、後述の還元剤添加装置６０によって行われている。また、その詳細は後に説明する。
【００５２】
一方のパティキュレートフィルタ５２ｂは、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子を酸化燃焼せしめる排気浄化作用を有している。より詳しくは、活性化酸素放出剤を担持したフィルタ５８を備え、そのフィルタ５８上に捕集された微粒子を、その活性化酸素にて酸化燃焼せしめることで除去（浄化）する排気浄化作用を備えている。
【００５３】
フィルタ５８単体は、図６に示されるようにコージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム形状をなし、互いに平行をなして延びる複数個の流路５５，５６を具備している。より具体的には、下流端が栓５５ａにより閉塞された排気ガス流入通路５５と、上流端が栓５６ａにより閉塞された排気ガス流出通路５６と、を備え、各排気ガス流入通路５５及び排気ガス流出通路５６は薄肉の隔壁５７を介して該フィルタ５８における縦方向及び横方向に並んで配置されている。所謂ウォールフロー型に形成されている。
【００５４】
また、隔壁５７の表面および内部の細孔には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等によって形成された担体の層が設けられており、その担体上には、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒の他、周囲に過剰酸素が存在するとその過剰酸素を吸蔵し、逆に酸素濃度が低下すると、その吸蔵した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤を担持している。
【００５５】
なお、活性酸素放出剤としては、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）のような希土類、およびセリウム（Ｃｅ）、錫（Ｓｎ）のような遷移金属から選ばれた少なくとも一つを用いることができる。
【００５６】
また、好ましくは、カルシウム（Ｃａ）よりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）などを用いるとよい。
【００５７】
このように構成されたパティキュレートフィルタ５２ｂでは、まず、排気ガス流入通路５５に流れ込んだ排気ガスが、図６の矢印ａで示されるように排気ガス流入通路５５→隔壁５７→排気ガス流出通路５６の順に流れ、その排気ガス中に含まれる煤などの微粒子は、その隔壁５７の表面及び内部に捕集される。隔壁５７に捕集された微粒子は、その隔壁５７に流れ込む排気ガスの酸素濃度を複数回に亘り変化させることで増加する活性化酸素によって酸化せしめられ、ついには輝炎を発することなく燃え尽きてフィルタ５８上から除去される。
【００５８】
このように本実施の形態では、排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａおよびパティキュレートフィルタ５２ｂを配置することで排気ガス中に含まれるＮＯｘおよび煤などの微粒子を浄化している。
【００５９】
なお、本実施の形態では、上記したように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａとパティキュレートフィルタ５２ｂとを直列に配置している。この理由としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａでの酸化・還元反応に伴う反応熱を利用してパティキュレートフィルタ５２ｂを昇温させる。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａにおける酸化・還元反応に起因して放出された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａからの活性化酸素を、パティキュレートフィルタ５２ｂの排気浄化作用に利用する、などをその理由として例示できる。なお、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａは、上記でも明らかなように、活性化酸素放出剤と略同様の物質を担持してなる。したがって、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５２ａは、活性化酸素放出剤としての機能を有すると言える。またなお、本実施の形態では、触媒コンバータ５２の下流に、排気ガス中の未燃燃料成分を酸化浄化せしめる酸化触媒コンバータ５９を設けている。
【００６０】
続いて、排気浄化触媒の排気浄化作用を促す還元剤添加装置６０について説明する。
還元剤添加装置６０は、還元剤添加弁６１、還元剤供給路６２、燃圧制御バルブ６４、燃圧センサ６３、緊急遮断弁６６、などを備え、触媒コンバータ５２に流れ込む排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、還元剤たる機関燃料を排気ガス中に行っている。
【００６１】
還元剤添加弁６１は、排気枝管１８の集合部分に設けられており、後述の電子制御ユニット内にて処理される還元剤添加プログラムのもと所定電圧が印可されたときに開弁する電気式の開閉弁である。還元剤供給路６２は、前記燃料ポンプ６によって汲み上げられた燃料の一部を還元剤添加弁６１に導く通路を形成している。燃圧制御バルブ６４は、還元剤供給路６２の経路途中に配置され、還元剤供給路６２内の燃圧を所定燃圧に維持している。燃圧センサ６３は、還元剤供給路６２内の燃圧を検出している。緊急遮断弁６６は、還元剤供給路６２内の圧力に異常が生じたとき、その還元剤供給路６２内への燃料供給を停止する。
【００６２】
このように構成された還元剤添加装置６０では、燃料ポンプ６から吐出された燃料が、燃圧制御バルブ６４によって所定燃圧に維持された後、還元剤供給路６２を通じて還元剤添加弁６１に供給される。そして、還元剤添加弁６１に所定電圧が印可され、還元剤添加弁６１が開弁状態になると、その還元剤供給路６２内の燃料は、還元剤添加弁６１を通じて排気枝管１８内に添加される。排気枝管１８に供給された燃料（還元剤）は、タービンハウジング１５ｂ内にて撹拌された後、排気管１９を経て触媒コンバータ５２に流入する。よって、触媒コンバータ５２には、酸素濃度が低く、また、未燃燃焼成分たる炭化水素（ＨＣ）混じりの排気ガスが流れ込むこととなり、以て、上記の排気浄化作用が促進されることとなる。
【００６３】
なお、還元剤の添加量及び添加タイミングは、触媒コンバータ５２下流に設けられた空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）７４の出力、パティキュレートフィルタ５２ｂの上流および下流に設けられた排気ガス温度センサ（図示略）の出力、および後述の電子制御ユニット３０に記録された運転履歴などを加味して決定されている。なお、その詳細については後に説明する。
【００６４】
続いて、制御系について説明する。
制御系は、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（中央制御装置）３４、入力ポート３５、出力ポート３６を備えた、いわゆる電子制御ユニット３０（ＥＣＵ）であり、機関出力を得るための燃料噴射制御（基本エンジン制御）の他、排気浄化作用を促すための還元剤添加制御、およびＥＧＲ弁２６およびスロットル弁１３等を操作して、機関本体の燃焼状態を切り換える燃焼状態切換制御等を実行している。
【００６５】
入力ポート３５には、上記した各種センサの出力信号の他、アクセルペダル４０の踏込み量を検出する負荷センサ４１、クランクシャフト１ａの回転数を検知するクランク角センサ４２、車速を測定する車速センサ４３等が対応したＡ／Ｄ変換器３７を介して、又は直接入力されている。一方、出力ポート３６には、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、還元剤添加弁６１、スロットル弁駆動用のアクチュエータ１４、ＥＧＲ弁２６、などが接続されている。
【００６６】
また、ＲＯＭ３２には、上記の各種制御を処理するプログラム、及びそのプログラム実行時に参照される制御マップ等が各装置に対応して設けられている。また、ＲＡＭ３３では、入力ポート３５に入力された各種センサの出力信号、及び出力ポート３６に出力される制御信号などを内燃機関の運転履歴として記録している。ＣＰＵ３４では、ＲＡＭ３３上に記録された各種センサの出力信号およびＲＯＭ３２上に展開された制御マップを所望のプログラム上にて比較し、その処理過程で出力された各種制御信号を出力ポート３６を介して対応する装置に出力することで各種装置を集中管理している。
【００６７】
続いて、還元剤添加制御、及び燃焼状態の切り換えを行う燃焼状態切換制御について詳述する。
【００６８】
＜還元剤添加制御＞
還元剤添加制御（還元剤添加制御プログラム）では、まず、還元剤たる燃料の添加条件が成立しているか否かをＣＰＵ３４にて判断する。ここで、還元剤の添加開始条件としては、排気温度センサの出力値が所定値に達し、触媒コンバータ５２内の温度が各種排気浄化触媒の活性化温度に達したとみなされたとき、また、車両の走行距離数及び車両の走行時間が所定値に達し、ＮＯｘ触媒５２ａに吸蔵されたＮＯｘの吸蔵量及びパティキュレートフィルタ５２ｂに捕集された微粒子の捕集量が所定量に達したとみなされたとき、などをその還元剤の添加開始条件として設定している。
【００６９】
そして、ＣＰＵ３４では、それらの条件の成立の受け、還元剤添加装置６０による還元剤の添加を許可する。なお、還元剤の添加は、触媒コンバータ５２に流れ込む排気ガスの空燃比が比較的短い周期でスパイク的に変化するように行う。またその際、ＣＰＵ３４では、触媒コンバータ５２下流に設けた空燃比センサ７４の出力値を読み込み、その出力値を還元剤の添加量にフィードバックすることで還元剤の添加量を適切量に調節する。すなわち、空燃比センサ７４の出力値に基づくフィードバック制御を実行する。
【００７０】
なお、本実施の形態では、空燃比センサ７４として、リーンミクスチャセンサを採用しているが、勿論、酸素濃度センサ（Ｏ2センサ）等を用いてもよい。また、空燃比センサ７４は、触媒コンバータ５２の下流に設置しているが、触媒コンバータ５２の上流側に配置することも可能である。なお、触媒コンバータ５２下流に設置した場合には、空燃比センサ７４に対する煤の付着を回避できるなどのメリットが得られる。
【００７１】
続いて、燃焼状態切換制御について説明する。
＜燃焼状態切換制御＞
はじめに、詳細な制御内容を説明するに先立ち、内燃機関の燃焼特性について説明にする。
【００７２】
本実施の形態に示すディーゼル機関は、先の従来技術に開示された内燃機関の一種であり、吸入空気に対する不活性ガスの割合を大幅に増大せしめることで、その燃焼時に生成させるスモークの成長を抑える燃焼技術を採用している。
【００７３】
なお、図２は、実際の実験結果に即して得られたグラフであり、吸入空気に対する不活性ガスの割合と、その燃焼によって生成されるスモーク量との相関関係を示している。尚、以下の説明では、吸入空気に対する不活性ガスの割合を、単にＥＧＲ率と称することもある。
【００７４】
この図２からも解るように、煤の発生量は、ＥＧＲ率約４０％〜５０％の間でピークに達し、ＥＧＲ率５５％以上の領域では、煤がほとんど発生しない状態になる。したがって、ＥＧＲ率５５％以上、好ましくはＥＧＲ率６５％以上の領域で機関運転を行えば、煤の排出量を略ゼロにしながら機関運転を行える。
【００７５】
ところが、ＥＧＲ率６５％以上での運転では、空気量の不足や燃焼圧力の低下によって十分に機関出力が得られないといった不具合が生じる。一方、十分に機関出力が得られるＥＧＲ率４０％未満の領域では、煤の発生が僅かながら見られるものの、その発生量は、ＥＧＲ率４０％〜５０％の運転領域に較べて十分に少ないものとなっている。
【００７６】
したがって、アイドリング時および低負荷走行時など、さほど機関出力を要しない運転状態ではＥＧＲ率６５％以上に維持して機関運転を行い、高負荷走行時など十分な機関出力を要求されるときには、ＥＧＲ率を４０％未満に抑えながら機関運転を行うことで、煤の発生を抑制しながら快適な運転状態を確保している。
【００７７】
すなわち、本実施の形態に示すディーゼル機関では、煤の発生量がピークに達するＥＧＲ率４０％〜５０％での運転を避けるように、燃焼状態をステップ状に切り換えることで煤の排出抑制と運転性の両立を確保している。
【００７８】
なお、上記に例示した数値すなわちＥＧＲ率の具体的数値は、あくまでも一例であり、その数値は、適用される内燃機関固有の燃焼特性や、ＥＧＲガスの冷却温度によって若干変化するものである。但し、煤の排出特性すなわちピークの存在などは、内燃機関全般に共通して言えるものである。
【００７９】
また、燃焼状態の切り換えは、例えば、基本エンジン制御たる燃料噴射制御の処理時に算出される機関要求トルクなどを加味して決定されている。すなわち、燃焼状態切換制御では、その一制御として、機関要求トルクが所定の下限値以下になったことを受けてＥＧＲ率６５％以上での運転を選択し、機関要求トルクが所定の上限値以上に達したとき、ＥＧＲ率４０％未満での運転を選択する燃焼状態選択制御を実行する。
【００８０】
なお、所定の上限値と所定の下限値との間には、ヒステリシスが設けられている。このヒステリシスは、燃焼状態の頻繁な切り換えを抑制するものであり、例えば、加速走行時と減速走行時とで、その切り換えの閾値を異ならしめることで、その閾値近傍での頻繁な切り換えを抑制する。
【００８１】
続いて、燃焼状態切換制御（燃焼状態切換制御プログラム）の詳細な制御内容について説明する。
なお、以下の説明では、ＥＧＲ率６５％以上での運転領域を「低温燃焼」と称し、ＥＧＲ率４０％未満での運転領域を「通常燃焼」と称することもある。
【００８２】
本制御では、上記した燃焼状態選択制御に加え、（１）ＥＧＲ弁２６およびスロットル弁１３の開度を変更しＥＧＲ率変化させるＥＧＲ率可変制御を実施する。（２）各燃焼状態に適した燃料噴射制御に切り換えることで燃焼状態を安定させる燃料噴射切換制御、等のエンジン制御を行い燃焼状態の切り換えを実現している。
【００８３】
すなわち、本実施の形態で燃焼状態切換制御とは、ＥＧＲ弁２６の開度制御、スロットル弁１３の開度制御、燃焼噴射制御の切換制御、などを総括して処理する制御である。また、これら各種制御に基づきＥＧＲ弁２６、およびスロットル弁１３、燃料噴射制御等を制御することで、本発明に係るＥＧＲ量制御手段、空気流量制御手段、燃料噴射切換手段などが実現される。
【００８４】
なお、図３及び図４には、燃焼状態切換制御の処理過程において変化するＥＧＲ弁２６の開度、スロットル弁１３の開度、燃焼噴射制御の経時変化を各燃焼状態の変化に即して示している。
【００８５】
以下、図３及び図４を参照し、その燃焼状態の切り換え過程にて処理される各種制御内容について詳述する。
【００８６】
まず、図３を参照し、通常燃焼を低温燃焼に切り換える際に処理する制御内容について説明する。
通常燃焼から低温燃焼への切り換え時には、ＥＧＲ率４０％未満での燃焼状態をＥＧＲ率６５％以上の燃焼状態に切り換える。すなわち、ＥＧＲ弁２６の開度を増やすと共に、スロットル弁１３の開度を減らして、ＥＧＲ率を増大させるＥＧＲ率可変制御を実行する。
【００８７】
なお、ＥＧＲ率可変制御では、主として排気通路を流れる排気ガスの空燃比（酸素濃度）に基づき、各弁体２６，１３の開度量を制御している。すなわち、触媒コンバータ５２下流に設けられた空燃比センサ７４の出力をフィードバックし、その空燃比センサ７４にて所定の出力が得られるようにＥＧＲ弁２６およびスロットル弁１３の開度制御を行っている。
【００８８】
なお、ここで所定の出力とは、吸入空気に対する不活性ガスの割合（ＥＧＲ率）が目標の割合に達したときに出力される値であり、各種予備実験にて得られるＥＧＲ率と排気ガス中の酸素濃度との対応にて定義される。
【００８９】
より詳しくは、ＥＧＲ弁２６およびスロットル弁１３の開弁制御が終了し、燃焼室に供給されるＥＧＲガス量が目標の割合且つ所定の含有酸素量になれば、自ずとその吸入空気中に含まれる酸素量（酸素濃度）も所定量になる。また、その吸入空気が燃焼することで生成される排気ガス中の酸素濃度も、必然的にその吸入空気の酸素量に比例する。つまり、排気ガス中の酸素濃度を検出することでＥＧＲ率を推定することができる。
【００９０】
なお、ＥＧＲ率は、一般に、吸気通路に供されるＥＧＲガスの供給量によって定義される数値であるが、そのＥＧＲガス中に含まれる酸素量に着目すると、その吸気通路に供給されるＥＧＲガス中の酸素量は、ＥＧＲガス混じりの吸入空気が燃焼することで生成される排気ガス中の酸素量によって経時的に減少していく。従って、排気ガス中の酸素濃度を考慮せずに定義したＥＧＲ率は、真のＥＧＲ率と言えず、本実施の形態に示すように、その排気ガス中の酸素濃度に基づきＥＧＲ率を変化させることで、正確なＥＧＲ率の管理が可能となる。
【００９１】
また、ＥＧＲ率可変制御に関し、本燃焼状態切換制御では、その空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御に優先してＥＧＲ率を強制的に変化せしめるオーバーシュート制御を実施している。
【００９２】
すなわち、ＥＧＲガスの供給量および空気の流量は、各弁体２６，１３の制御に遅れて経時的に変化する。このため、本来、低温燃焼時に要求される目標の割合（ＥＧＲ率）に即して決定されるべき各弁体１３，２６の制御量を、一時的に増大させることでＥＧＲ率の応答速度（変化速度）を早めている。
【００９３】
なお、本オーバーシュート制御は、燃焼状態の切り換え開始後から実行され、排気ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度に低下したとき、また、エアフロメータ１１の出力にて得られる空気流量が所定の空気流量に低下したことを受けて、空燃比センサ７４の出力に基づくフィードバック制御に切り換えられる。なお、本実施の形態では、そのオーバーシュート制御の処理において、ＥＧＲ弁２６を略全開状態とし、スロットル弁１３を略全閉状態とすることで、ＥＧＲ率の応答速度を向上させている。
【００９４】
一方、燃料噴射切換制御においては、燃焼噴射圧力を昇圧する、燃料噴射量を増大する、燃料噴射時期を進角させる、複数回噴射（マルチ噴射）から単発噴射（シングル噴射）に切り換える等の補正制御を実行する。なお、これらの補正内容は、低温燃焼用の燃料噴射制御として電子制御ユニット３０に記録されており、低温燃焼への切り換え時には、その低温燃焼用の燃料噴射制御に基づき、以降の燃料噴射制御が処理される。
【００９５】
なお、これら燃焼噴射制御の補正は、低温燃焼時に生じる種々の燃焼不良を改善するためのものである。すなわち、低温燃焼時には、燃焼温度が低下し、また、燃焼に寄与する酸素量も減る。従って、過酷な条件化での燃焼が要求されることとなり、通常燃焼時に実施されていた燃料噴射制御では、失火、燃焼圧力の低下、機関出力の不足、燃焼騒音（ジーゼルノック）の増加、等の問題が生じる。そこで上記した種々の補正を行い、着火遅れの改善、火炎伝播期間における圧力上昇の抑制、直接燃焼期間および後期燃焼期間の短縮等を最適化することで低温燃焼時の良好な燃焼状態を確保している。
【００９６】
また、本実施の形態では、先のＥＧＲ率可変制御の後に、この燃料噴射制御の切り換えを処理するようにしている。すなわち、燃焼状態の切り換え開始後、その燃料噴射制御を、切り換え前の制御状態で所定時間拘束する燃料噴射拘束制御を実施している。
【００９７】
より詳しくは、ＥＧＲガス量や空気量の応答遅れに対応すべく燃料噴射制御の補正に制御ディレー（待機時間）を含ませることで、燃料噴射制御の適正化を図っている。
【００９８】
なお、補正制御におけるディレー時間は、各種条件を加味して決定されている。より詳しくは、燃焼状態の切り換え開始時からの積算クランクサイクル数が所定クランクサイクル数に達する迄の時間、また、空気量、吸気枝管内圧力、吸気枝管内温度が所定値に達する迄の時間、及び、燃焼状態切り換え前の燃料噴射量がいくらであったか、などの諸条件を加味して決定され、それらの条件が満たされたことを受けて、燃料噴射制御の補正を開始させる。
【００９９】
なお、上記で積算クランクサイクル数とは、吸気→圧縮→燃焼→排気の行程がどれだけ進んだか、に相当し、この積算クランクサイクル数を検出することで吸気系への排気ガス（ＥＧＲガス）の周り込み量すなわちＥＧＲ率を概ね推定できる。また、空気量、吸気枝管内圧力、吸気枝管内温度の変化について説明すると、低温燃焼時には、空気量および吸気枝管内圧力は減り、吸気枝管内の温度は上昇する。したがって、これらの変化量を検出すれば、ＥＧＲ率の推定が可能となる。また、排気ガス（ＥＧＲガス）の量は、燃焼状態切り換え前の燃料噴射量によって決定されるため、その燃料噴射量からＥＧＲガスの回り込み量を推定することができる。
【０１００】
このように本実施の形態に示す内燃機関では、ＥＧＲ率の変化量、すなわち燃焼室内に供給される吸入空気の酸素濃度が所定酸素濃度が達したか否かを判断し、その酸素濃度が所定酸素濃度に低下したことを受け、燃料噴射制御の拘束状態を解除する。
【０１０１】
また、本実施の形態では、燃料噴射制御の補正に関して、徐変制御を実施している。この徐変制御では、所定の期間内にその補正を終了させるために各種補正の制御ゲインが決定される。すなわち、燃料噴射に関する補正は、トルクショックなどに大きさ起因するため、その補正を徐変しながら変化させることで燃料噴射補正制御時のトルクショックなどを抑制するようにしている。
【０１０２】
続いて、図４を参照し、低温燃焼から通常燃焼に復帰する際に処理する制御内容について説明する。
低温燃焼から通常燃焼への切り換え時には、ＥＧＲ率６５％以上での燃焼状態をＥＧＲ率４０％未満の燃焼状態に切り換える。すなわち、ＥＧＲ弁２６の開度を減らすと共に、スロットル弁１３の開度を増大させてＥＧＲ率を低下させるＥＧＲ率可変制御を実行する。
【０１０３】
また、低温燃焼から通常燃焼への切り換え時においても同様に、そのＥＧＲ率可変制御では、排気通路を流れる排気ガスの空燃比（酸素濃度）に基づくフィードバック制御を行う。また、そのフィードバック制御に先行して各弁体１３，２６のオーバーシュート制御を実施する。なお、通常燃焼への切り換え時におけるオーバーシュート制御では、ＥＧＲ弁２６の開度が略全閉状態とされ、スロットル弁１３では略全開状態になっている。
【０１０４】
一方、燃料噴射切換制御では、燃焼噴射圧力を減圧する、燃料噴射量を減らす、燃料噴射時期を遅角させる、単発噴射から複数回噴射に切り換える等の補正制御を実行する。なお、これらの補正内容も上記同様電子制御ユニット３０上に記録されており、通常燃焼への切り換え時には、その通常燃焼用の燃料噴射制御に基づき、以降の燃料噴射制御を処理する。
【０１０５】
なお、これら燃焼噴射制御に関連する補正は、通常燃焼時におけるドライバビィリティーを得るための補正制御で、その補正値などは、基本燃料噴射制御に、ほぼ殉ずる制御内容となっている。
【０１０６】
なお、基本燃焼噴射制御について説明すると、基本燃料噴射制御では、現在の機関運転に要求される「目標要求トルク」をクランク角センサ４２および負荷センサ４１の出力信号等に基づき算出し、この目標要求トルクを得るべく燃料噴射弁３や燃料ポンプ６に出力される制御信号を適時更新して燃料供給系における燃料供給量の補正を行っている。
【０１０７】
また、通常燃焼への切り換えによって生じる燃料噴射制御の切り換えにおいても、本実施の形態では、制御ディレー（待機時間）を含ませて燃料噴射切換制御の適正化を図っている。また、その燃料噴射制御の補正開始時には、徐変制御を実施することで、燃料噴射制御の切り換えに伴うトルクショックを回避している。なお、ディレー時間の設定は、上記に説明した諸条件を加味して決定している。
【０１０８】
このように本実施の形態に示す内燃機関では、各弁体１３，２６の制御量をオーバーシュートさせるオーバーシュート制御を実施する。燃焼噴射制御の補正に制御ディレーを設ける燃料噴射拘束制御を実施する。燃料噴射制御の切り換えにおいて徐変制御を行う、等の付加的制御を燃焼状態の過渡期間において処理することで、その過渡期間における種々の問題を改善している。
【０１０９】
すなわち、オーバーシュート制御によって燃焼状態の切り換えが速やかに行われるため、ＥＧＲガス量および空気量の応答遅れに伴う過渡期間での燃焼不安定状態が改善される。また、燃料噴射拘束制御、および徐変制御を行うことで燃料噴射制御の適正化が図られ、以て、ドライバビィリティーの向上、エンジン騒音の低減、およびスモークの抑制などが図られる。
【０１１０】
ところで、通常燃焼から低温燃焼に移る過渡期間では、および低温燃焼から通常燃焼に移る過渡期間では、上述の如く排気ガスの酸素濃度（空燃比）の基づきＥＧＲ率の可変制御が行われている。
【０１１１】
一方、本実施の形態に示す内燃機関では、先に説明した通りＮＯｘや煤などの微粒子を浄化を促進すべく排気ガス中に還元剤の添加がなされている。また、その添加は、ターボーチャージャでの撹拌効果及び排熱によるガス化を期待して排気枝管１８内に実施されるため、還元剤の添加時には、還元剤（機関燃料）混じりの排気ガスによって排気通路が満たされることとなる。
【０１１２】
また一方では、煤の付着などを回避すべく触媒コンバータ５２下流に設置された空燃比センサ７４の出力に基づき、上記のＥＧＲ率可変制御が行われている。このため還元剤の添加時には、その還元剤混じりの排気ガスの空燃比を空燃比センサ７４にて検出することとなり、その結果、空燃比センサ７４では、本来の排気ガスの空燃比（酸素濃度）と異なる空燃比を検出してしまう。すなわち、還元剤の添加時には、空燃比センサ７４の出力と目的とするＥＧＲ率との整合性が確保されず、燃焼状態の適切な切り換えが困難となる。
【０１１３】
そこで本実施の形態に示す内燃機関では、上記した種々の制御に加えて還元剤添加禁止制御を実行し、燃焼状態の切り換えを適切に行えるようにしている。以下、この還元剤添加禁止制御について説明を行う。
【０１１４】
本還元剤添加禁止制御は、燃焼状態切換制御に付加され、その燃焼状態の切り換え期間中、すなわち、低温燃焼から通常燃焼に至る過渡状態、および通常燃焼から低温燃焼に至る過渡状態で処理されている。
【０１１５】
また、その処理内容について説明すると、本制御では、上記のＥＧＲ率可変制御が終了する迄の間、排気ガス中への還元剤の添加を禁止している。より詳しくは、還元剤添加弁６１に出力される開弁信号を遮断し、上述の還元剤添加制御において、還元剤を添加すべき旨の出力結果が得られたとしても、その出力結果に基づく還元剤添加弁６１の開弁制御がなされないようする。このため、ＥＧＲ率可変制御期間中は、空燃比センサ７４で正規の酸素濃度を検出することとなり、以て、各燃焼状態への適切な切り換えが可能となる。
【０１１６】
なお、図５には、本還元剤添加禁止制御を踏まえ、上記した燃焼状態切換制御（燃焼状態切換制御プログラム）における一連の処理内容を示している。
【０１１７】
まず、電子制御ユニット３０では、燃焼状態選択制御の処理によって燃焼状態を切り換えるべきか否かを機関要求トルク等の諸条件に基づき決定する（ステップ１０１）。続いて、燃焼状態の切り換え要求を受け、前記の還元剤添加禁止制御を処理する（ステップ１０２）。なお、ステップ１０１にて否定されたときには、本制御を一旦終了する。
【０１１８】
続いて、電子制御ユニット３０では、燃焼状態を切り換えるべく上記のＥＧＲ率可変制御の開始する（ステップ１０３）。また、これと同期して燃料噴射制御の切り換えを開始すべく燃料噴射切換制御を開始する（ステップ１０６）。
【０１１９】
ステップ１０３におけるＥＧＲ率可変制御では、オーバーシュート制御を先に処理し（ステップ１０４）、続いて、空燃比センサ７４に基づくフィードバック制御を処理する（ステップ１０５）。
【０１２０】
一方、ステップ１０６における燃料噴射切換制御では、まず、燃料噴射拘束制御を処理し、燃料噴射制御の切り換えを所定時間拘束する（ステップ１０７）。続いて、燃焼室に供給される吸入空気の酸素濃度が所望の酸素濃度に近づくと、徐変制御に基づく燃料噴射制御の切り換えを処理する（ステップ１０８）。そして、電子制御ユニット３０では、燃料噴射切換制御の終了を受け、上記の還元剤添加禁止制御を解除し（ステップ１０９）、本処理ルーチンを終了する。
【０１２１】
このように、本実施の形態では、燃焼状態の切り換え期間に相当する過渡状態にて種々の制御を行い、その過渡状態での燃焼不安定に伴うドライバビィリティーの低下、エンジン騒音の増大、及びスモークの増大等の現象の改善に努めている。
【０１２２】
なお、上記した構成は、あくまでも本発明の一実施例であり、その詳細は所望に応じて変更可能である。例えば、上記では還元剤を添加するに際して、排気通路に還元剤の添加を行っているが、燃焼行程後期の気筒内に還元剤たる機関燃料を副噴射することで、排気ガスの空燃比を低下させてもよい。また、上記ではディーゼル機関を例に説明を行ったが、本発明は、希薄燃焼式ガソリン機関などにおいても有用である。
【０１２３】
また、還元剤添加禁止制御に関していえば、還元剤の添加禁止期間は、燃焼状態の切り換え開始時から切り換え終了時としているが、オーバーシュート制御の終了時から還元剤の添加を禁止するようにしてもよい。また、燃料噴射制御の切り換え開始を受けて、その還元剤の添加を許可するようにしてもよい。
【０１２４】
また、燃焼状態切換制御に関していえば、排気浄化触媒の温度や排気ガスの温度を考慮しての切り換えも可能である。なお、この背景として、本実施の形態に示した低温燃焼の技術は、排気浄化触媒の暖気に利用されることもある。すなわち、ＥＧＲガスそれ自体は、熱エネルギーを吸収する不活性ガスであるが、そのガス自体に相当の熱エネルギーを有するため、空気（外気）の温度そのものが低い場合や、燃料噴射量が少ないときには、排気ガスの温度を高温に維持する効果を秦する。したがって、このＥＧＲガス混じりの排気ガスが排気浄化触媒に流入させることで、排気浄化触媒の早期暖気が図られる。なお、この場合においても、その燃焼状態の切り換え時には、スモークの発生や、エンジン騒音の増大等が見られるため、上記した過渡状態における種々のエンジン制御を行うことで、それらの不具合を解消できる。
【０１２５】
また、燃料噴射切換制御に関していえば、上記のオーバーシュート制御終了時から徐変制御を開始しても、上記の説明と略同程度の効果が得られる。また、ディレー時間の設定は、各種予備実験にて予め設定しておくことも可能である。
【０１２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃焼状態の過渡期間において排気浄化触媒への還元剤の添加を禁止する、および各弁体の制御量をオーバーシュートさせる、燃焼噴射制御の補正にディレー時間を設ける、燃料噴射制御の切り換えを徐変しながら行う、などの種々の制御を行い、その過渡状態にて生じる種々の不具合を改善することができる。よって、ドライバビィリティーの向上、エンジン騒音の低減、およびスモークの抑制などが図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の示す内燃機関の概略構成図。
【図２】煤の発生量とＥＧＲ率との相関関係を説明するためのグラフ。
【図３】通常燃焼から低温燃焼への切り換え時に処理される各種制御の経時変化を示すタイムチャート。
【図４】低温燃焼から通常燃焼への移行時に処理される各種制御の経時変化を示すタイムチャート。
【図５】燃焼状態を切り換える際に処理する各種制御の処理順序を説明するためのフローチャート。
【図６】パティキュレートフィルタの内部構造を説明するための図。
【符号の説明】
１  内燃機関（機関本体）
１ａ  クランクシャフト
２  気筒
３  燃料噴射弁
４  コモンレール
５  燃料供給管
６  燃料ポンプ
８  吸気枝管
９  吸気管
１０  エアクリーナボックス
１１  エアフロメータ
１２  吸気温センサ
１３  スロットル弁
１４  アクチュエータ
１５  ターボチャージャ
１５ａ  コンプレッサハウジング
１５ｂ  タービンハウジング
１６  インタークーラ
１８  排気枝管
１８ａ  排気ポート
１９  排気管
２０  ＥＧＲ装置
２３  過給圧センサ
２４  吸気温センサ
２５  ＥＧＲ通路
２６  ＥＧＲ弁
２７  ＥＧＲクーラ
３０  電子制御ユニット
３１  双方向性バス
３５  入力ポート
３６  出力ポート
３７  Ａ／Ｄ変換器
３８  駆動回路
４０  アクセルペダル
４１  負荷センサ
４２  クランク角センサ
４３  車速センサ
５２  触媒コンバータ
５２ａ  吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
５２ｂ  パティキュレートフィルタ
５３  ケーシング
５５  排気ガス流入通路
５５ａ  栓
５６  排気ガス流出通路
５６ａ  栓
５７  隔壁
５８  フィルタ
５９  酸化触媒コンバータ
６０  還元剤添加装置
６１  還元剤添加弁
６２  還元剤供給路
６３  燃圧センサ
６４  燃圧制御バルブ
６６  緊急遮断弁
７４  空燃比センサ
【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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