(57)【要約】【課題】要求負荷が高い場合においても低温燃焼を可能にする。【解決手段】低温燃焼と煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼とを切換える切換え手段と、ターボチャージャ（１５）とを具備すると共に、排気ガス循環装置が、再循環排気ガスの圧力が低い低圧排気ガス再循環通路（６１）と、再循環排気ガスの圧力が高い高圧排気ガス再循環通路（２９）と、低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第１の再循環排気ガス制御弁（６４）と、高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第２の再循環排気ガス制御弁（３１）とを具備し、低温燃焼が行われるときに、機関要求負荷に基づいて低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量および高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御できる内燃機関（１０）が提供される。【選択図】      図１
2005076456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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排気ガス再循環装置を具備し、前記燃焼室内に供給される再循環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、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を更に増大していくと前記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低温燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼とを切換える切換え手段を具備する内燃機関において、
前記排気ガス循環装置が、再循環排気ガスの圧力が低い低圧排気ガス再循環通路と、再循環排気ガスの圧力が高い高圧排気ガス再循環通路と、前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第１の再循環排気ガス制御弁と、前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第２の再循環排気ガス制御弁とを具備し、前記低温燃焼が行われるときに、機関要求負荷に基づいて前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量および前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御するようにした内燃機関。
【請求項２】
さらに、ターボチャージャを具備し、前記低圧排気ガス再循環通路は前記ターボチャージャの排気タービンの下流側と前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続している請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記低圧排気ガス再循環通路のみには、冷却装置が設けられている請求項１から２のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記高圧排気ガス再循環通路には、酸化機能を有する触媒または該触媒を担持したフィルタが設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
機関要求負荷が低い領域と高い領域との境界付近においては、前記第１の再循環排気ガス制御弁および前記第２の再循環排気ガス制御弁を開放するようにした請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【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。
【０００９】
（例えば、特許文献１から特許文献６参照。）。
【特許文献１】
特開２０００−００８８３５号公報
【特許文献２】
特開２０００−００８９６４号公報
【特許文献３】
特許第３３５６０７５号
【特許文献４】
特開２０００−１３０２７０号公報
【特許文献５】
特開２００１−１４０７０３号公報
【特許文献６】
特開２００２−２２１１０２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）と炭化水素（ＨＣ）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。また、このような高負荷領域においては燃焼温度も上昇するためにスモークが発生するようになり、低温燃焼を行うこと自体が困難である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
１番目に記載の発明によれば、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排気ガス再循環装置を具備し、前記燃焼室内に供給される再循環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、前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量を更に増大していくと前記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低温燃焼と、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼とを切換える切換え手段を具備する内燃機関において、前記排気ガス循環装置が、再循環排気ガスの圧力が低い低圧排気ガス再循環通路と、再循環排気ガスの圧力が高い高圧排気ガス再循環通路と、前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第１の再循環排気ガス制御弁と、前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な第２の再循環排気ガス制御弁とを具備し、前記低温燃焼が行われるときに、機関要求負荷に基づいて前記低圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量および前記高圧排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御するようにした内燃機関が提供される。
【００１２】
すなわち１番目の発明によって、機関要求負荷が比較的低い場合には内燃機関の吸気通路内の圧力も低いので、高圧排気ガス再循環通路の第２の再循環排気ガス制御弁を開放することにより高圧の再循環排気ガスを排気通路内の圧力と吸気通路内の圧力との圧力差のみによって高圧の再循環排気ガスを再循環させられる。機関要求負荷が比較的低い場合には高温の再循環排気ガスを供給するのが好ましいが、高圧排気ガス再循環通路内の再循環排気ガスは当然に高温であるので、高温の再循環排気ガスを供給し、これにより安定した低温燃焼を行うことができる。高圧排気ガス再循環通路はターボチャージャの排気タービンの上流側からコンプレッサの下流側まで延びるようにするのが好ましく、これにより燃焼室から排出された高圧の再循環排気ガスを高圧排気ガス再循環通路内に流すことができる。また、機関要求負荷が高い場合には吸気通路内の圧力も高くなるので前述した圧力差は小さくなるが、低圧排気ガス再循環通路の第１の再循環排気ガス制御弁を開放した状態でターボチャージャの過給を利用することにより低圧排気ガス再循環通路の低圧再循環排気ガスを大量に再循環させられる。機関要求負荷が高い場合には低温の再循環排気ガスを供給するのが好ましいが、低圧排気ガス再循環通路は内燃機関の構造上、高圧排気ガス再循環通路よりも必然的に長くなるので、低圧排気ガス再循環通路内を流れるときに再循環排気ガスを比較的低温にすることができる。従って、１番目の発明によって、機関要求負荷が低い場合は当然ながら、機関要求負荷が高い場合であっても低温燃焼を行うことが可能り、従来よりも高負荷領域において低温燃焼を行うことが可能となる。
【００１３】
２番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、ターボチャージャを具備し、前記低圧排気ガス再循環通路は前記ターボチャージャの排気タービンの下流側と前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続している。
すなわち２番目の発明によって、低圧排気ガス再循環通路は高圧排気ガス再循環通路よりも構造的に長くなるので、１番目の発明の場合と同様の作用および効果を得ることができる。
【００１４】
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、前記低圧排気ガス再循環通路のみには、冷却装置が設けられている。
すなわち３番目の発明によって、低圧排気ガス再循環通路に冷却装置、例えばＥＧＲクーラを設けることにより、再循環排気ガスを積極的に冷却することができる。
【００１５】
４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記高圧排気ガス再循環通路には、酸化機能を有する触媒または該触媒を担持したフィルタが設けられている。
すなわち４番目の発明によって、再循環排気ガスが触媒を通過する際に再循環排気ガス内のＣＯ、ＨＣ等を酸化させ、これにより、再循環排気ガスの温度が高められ、従って、機関要求負荷が低い場合にさらに高温の再循環排気ガスを供給することができる。触媒は酸化触媒もしくはＮＯｘ触媒であってよい。
【００１６】
５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、機関要求負荷が低い領域と高い領域との境界付近においては、前記第１の再循環排気ガス制御弁および前記第２の再循環排気ガス制御弁を開放するようにした。
すなわち５番目の発明によって、第１および第２の再循環排気ガス制御弁の両方を開放することにより、機関要求負荷の低い領域から高い領域への移行、および機関要求負荷の高い領域から低い領域への移行をスムーズに行うことが可能となる。特に、ターボチャージャの排気タービンの上流側からコンプレッサの下流側まで延びうる高圧排気ガス再循環通路内は高圧であるので、要求負荷の低い領域と高い領域との間の移行時における再循環排気ガスの応答性を高めることができる。また、一方の再循環排気ガス制御弁の開弁と他方の再循環排気ガス制御弁の開弁とを同時に行う場合において要求負荷が低い領域から高い領域へ移行する際には再循環排気ガスが一時的に流れなくなる可能性があるが、両方の再循環排気ガス制御弁を開弁することによりこのような状態を回避することができる。
【００１７】
【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一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は本発明を４ストローク圧縮着火式内燃機関に適用した第一の実施形態を示している。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。
【００１８】
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を担持したフィルタ２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結される。この実施形態においては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したフィルタが用いられる。なお、フィルタに代えて酸化機能を有するハニカム構造（ストレートフロータイプ）の触媒でもよい。排気マニホルド２２内には空燃比センサ２７が配置される。
【００１９】
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下流で、かつコンプレッサ１６上流の空気吸込管１７とは第１の排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路６１を介して互いに連結され、第１のＥＧＲ通路６１内には第１のステップモータ６３により駆動される第１のＥＧＲ制御弁６４が配置される。また、第１のＥＧＲ通路６１内には第１のＥＧＲ通路６１内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ６２が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水がＥＧＲクーラ６２内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。更に、排気タービン２３よりも上流に位置する排気マニホルド２２とサージタンク１２とが第２のＥＧＲ通路２９を介して互いに連結され、第２のＥＧＲ通路２９内には第２のステップモータ３０により駆動される第２のＥＧＲ制御弁３１が配置される。第２のＥＧＲ通路２９にはＥＧＲクーラは設けられておらず、第２のＥＧＲ通路２９内を流れるＥＧＲガスは空冷によって冷却される。それゆえ、第２のＥＧＲ通路２９は第１のＥＧＲ通路６１よりもＥＧＲガスの冷却能力が低い。また、図示されるように第２のＥＧＲ通路２９には酸化機能を有する触媒を内蔵した触媒コンバータ３２が設けられている。触媒コンバータ３２内の触媒（図示しない）は後述する触媒コンバータ２６内の触媒と同様でありうる。ＥＧＲガスが第２のＥＧＲ通路２９を通過する際には、ＥＧＲガス内のＣＯ、ＨＣなどが酸化されるので、触媒コンバータ３２通過後のＥＧＲガスの温度は触媒コンバータ３２の通過前よりも温度が高くなる。
【００２０】
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。
【００２１】
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及び６３、並びに燃料ポンプ３５に接続される。
【００２２】
図２は、燃料噴射時期を固定した状態で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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図２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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
図４は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図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、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。
【００３９】
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に示す実施形態では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、斯くして煤がほとんど発生しなくなる。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。
【００４０】
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。
【００４１】
ところで過給が行われていない場合には第２のＥＧＲ制御弁３１を開弁させ、第２のＥＧＲ通路２９を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口側、図１においてはインタークーラ１４の下流側にＥＧＲガスを再循環させている。要求負荷がＬＡよりも小さい領域においては第２のＥＧＲ通路２９内を流れるＥＧＲガスは、吸気ポート８内の吸気圧と排気ポート１０内の排気圧との差圧のみで再循環されている。このため、要求負荷が高くなってくると、このような差圧のみでＥＧＲガスを再循環させるには限界がある。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４において要求負荷がＬＡ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ガス割合が低下し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ＬＡ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ＬＡ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。
【００４２】
ところが図１に示されるような第１のＥＧＲ通路６１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ＬＡ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ＬＡ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第１のＥＧＲ制御弁６４が全開せしめられて、スロットル弁２０が若干閉弁せしめられる。要求負荷がさらに増して要求負荷ＬＢを越えると、第２のＥＧＲ制御弁３１が閉弁し、第１のＥＧＲ制御弁６４のみが開弁するようになる。
【００４３】
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空気量を図４に示される空気量よりも少くしても、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。
【００４４】
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ほとんど生成されない。更に、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００４５】
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ほとんど発生されず、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。
【００４６】
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形態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低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には従来より普通に行われている通常燃焼を行うようにしている。なお、ここで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、従来より普通に行われている通常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い燃焼のことを言う。
【００４７】
図５は特定の運転状態におけるスモーク濃度ＦＳＮと、低温燃焼領域および通常燃料領域とを示す図であり、図６は低温燃焼領域と通常燃焼領域を示す概念図である。図５および図６などを用いて、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼である低温燃焼と、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の不活性ガス量が少ない通常燃焼とを説明する。図５に示されるように煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率の高ＥＧＲ率側と低ＥＧＲ率側に夫々低温燃焼領域と普通の燃焼領域とが存在している。また低温燃焼が行われるときには通常燃焼が行われるときに比べて噴射時期が進角側になるので、図５に示されるように低温燃焼領域は通常燃焼領域に比べて進角側になる。
【００４８】
図６においては破線ＰはＥＧＲ率を増大したときに煤の発生量がピークになるところを示しており、実線ＱはＥＧＲ率をさらに増大したときに煤の発生量がほぼ零になるところを示している。図２および図６から分かるように通常燃焼と通常燃焼よりも進角側の低温燃焼とを切り替えるべくＥＧＲ率を増減させるとその間に煤の発生量がピークとなるところを通過する。また図２のように噴射時期を一定にした状態でＥＧＲ率を増大させた場合には図６において破線Ｐで示されるようにスモークの発生量にピークが発生する。そして、図６において通常燃焼領域から通常燃焼領域よりも進角側の低温燃焼領域に切り替えるべくＥＧＲ率を増大させると破線Ｐ上を通過するので、ＥＧＲ率の増大中にスモークの発生量にピークが生じることとなる。
【００４９】
図７は低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、通常燃焼が行われる第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、通常燃焼が行われる。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】
また、図７におけるＸ１（Ｎ）は第１の運転領域において第１のＥＧＲ制御弁６４のみを開弁する領域と第１および第２のＥＧＲ制御弁３１、６４の両方を開弁する領域との境界を示している。さらにＸ２（Ｎ）は第１および第２のＥＧＲ制御弁３１、６４の両方を開弁する領域と第２のＥＧＲ制御弁３１のみを開弁する領域との境界を示している。つまり、本発明においては負荷ＬがＸ１（Ｎ）とＸ２（Ｎ）との間にある場合には第１および第２のＥＧＲ制御弁３１、６４の両方が開弁するようになっている。
【００５３】
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フィルタ２５に担持された酸化機能を有する触媒により良好に酸化せしめられる。同時に排気微粒子はフィルタ２５によって捕集される。
【００５４】
触媒２５としては酸化触媒、三元触媒、又は吸蔵されたＮＯｘを放出し還元浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いることができる。ＮＯｘ触媒は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘを放出する機能を有する。
【００５５】
このＮＯｘ触媒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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
図９は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２０の開度、第２のＥＧＲ制御弁３１の開度、第１のＥＧＲ制御弁６４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、第２のＥＧＲ制御弁３１の開度は要求負荷ＬがＸ２（Ｎ）に到達するまで増大す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。そして要求負荷ＬがＸ１（Ｎ）を越えると第２のＥＧＲ制御弁３１の開度は全開からほぼ全閉に向かうよう低下する。また、第１のＥＧＲ制御弁６４の開度は要求負荷ＬがＸ２（Ｎ）に到達するまでは全閉状態となるよう維持されており、Ｘ２（Ｎ）を越えると全閉から全開に向かうよう増大される。そして、要求負荷ＬがＸ１（Ｎ）を越えても第１のＥＧＲ制御弁６４の開度は全開状態に維持される。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。
【００５９】
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の開度および第２の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。
【００６０】
なお、アイドル運転時にはスロットル弁２０は全閉近くまで閉弁され、このとき第２の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、アイドル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。
【００６１】
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３）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。
【００６２】
第２の運転領域ＩＩでは通常燃焼が行われる。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、第１のＥＧＲ制御弁６４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。
【００６３】
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。
【００６４】
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形態では要求負荷Ｌが低くなるにつれて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００６５】
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とするのに必要な第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥＬと第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥＨとの合計である目標合計開度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。第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥＬと第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥＨとの比については、後で詳細に説明する。
【００６６】
図１２（Ａ）は通常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１２（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１２（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図１２（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１２（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１３（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１２（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要な第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥＬとなる目標開度ＳＥが図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。
【００６７】
また、通常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１４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。
【００６８】
次に、低温燃焼が行われるときのＥＧＲガスの温度、空燃比Ａ／Ｆ、要求負荷Ｌ及び燃料噴射時期の関係について説明する。図１５は低温燃焼が行われるときに空燃比Ａ／Ｆ及びＥＧＲガスの冷却方法を変更したそれぞれの場合の要求負荷Ｌと噴射時期との関係を示したグラフである。図１５において、実線Ａは空燃比Ａ／Ｆが１７であって空冷されたＥＧＲガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Ｌと噴射時期との関係を示しており、破線Ｂは空燃比Ａ／Ｆが１２であって空冷されたＥＧＲガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Ｌと噴射時期との関係を示しており、実線Ｃは空燃比Ａ／Ｆが１７であって水冷されたＥＧＲガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Ｌと噴射時期との関係を示しており、破線Ｄは空燃比Ａ／Ｆが１２であって水冷されたＥＧＲガスを燃焼室内に供給したときの要求負荷Ｌと噴射時期との関係を示している。
【００６９】
図１５に示すように、燃焼室内に供給されるＥＧＲガスの温度が変化すると最適な噴射時期が変化する。また、燃焼時の空燃比Ａ／Ｆが変化しても最適な噴射時期が変化する。また、要求負荷Ｌによっても最適な噴射時期が変化する。詳細には、ＥＧＲガスが空冷により冷却される時、要求負荷Ｌが高くなると煤が発生してしまう。つまり、ＥＧＲガスの冷却能力が低い時には、中低負荷の下でなければ低温燃焼を実行できない。一方、ＥＧＲガスが水冷により冷却される時は、高負荷の下でも煤は発生せず、低温燃焼を実行可能である。ところが、空燃比Ａ／Ｆがリッチになると要求噴射時期が進み側になってしまい、噴射された燃焼が燃焼に使用されることなくボアに付着してしまう。噴射時期を進めない場合には燃料供給が遅れてしまい失火してしまう。また、ＥＧＲガスが水冷により冷却されるときには、ＥＧＲガスが空冷により冷却されるときに比べ、低負荷領域において、空燃比Ａ／Ｆが１２の時の噴射時期と空燃比Ａ／Ｆが１７の時の噴射時期との差が大きくなり過ぎてしまう。そのため、低負荷領域においてＥＧＲガスが水冷により冷却されている場合、低温燃焼から通常燃焼に燃焼が切り換わったときに噴射時期が進み過ぎてしまい、ノック音が発生し易くなってしまう。
【００７０】
以上の理由から、低温燃焼が行われる時には、要求負荷Ｌに応じて燃焼室内に供給されるＥＧＲガスの温度を適切な温度に調整する必要がある。それゆえ、本実施形態では、図１に示されるように、ＥＧＲガスの圧力の低い第１のＥＧＲ通路６１と、第１のＥＧＲ通路６１を流れるＥＧＲガスの量を制御可能な第１のＥＧＲ制御弁６４と、ＥＧＲガスの圧力の高い第２のＥＧＲ通路２９と、第２のＥＧＲ通路２９を流れるＥＧＲガスの量を制御可能な第２のＥＧＲ制御弁３１とが設けられており、低温燃焼が行われる時に、要求負荷Ｌに基づいて第１のＥＧＲ通路６１を流れる低圧のＥＧＲガスの量と第２のＥＧＲ通路２９を流れる高圧のＥＧＲガスの量とが制御される。
【００７１】
詳細には、要求負荷Ｌが低い時には、第１のＥＧＲ通路６１を流れる低圧のＥＧＲガスの量が減少されると共に第２のＥＧＲ通路２９を流れる高圧のＥＧＲガスの量が増加され、つまり、第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥＬと第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥＨとの比ＳＥＬ／ＳＥＨが小さくされ、燃焼室内には比較的高圧のＥＧＲガスが供給される。そして、第２のＥＧＲ通路２９は排気ポート１０の直後から延びているために第２のＥＧＲ通路２９内のＥＧＲガスの温度は比較的高くなっている。これにより、燃焼室内の混合気温度を高くでき低負荷時に安定した状態で低温燃焼を行うことができる。
【００７２】
一方、要求負荷Ｌが高い時には、第１のＥＧＲ通路６１を流れる低圧のＥＧＲガスの量が増加されると共に第２のＥＧＲ通路２９を流れる高圧のＥＧＲガスの量が減少され、つまり、第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥＬと第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥＨとの比ＳＥＬ／ＳＥＨが大きくされ、燃焼室内には比較的低圧のＥＧＲガスが供給される。図１から分かるように第１のＥＧＲ通路６１からのＥＧＲガスはＥＧＲクーラ６２およびインタークーラ１４を経由するために温度が比較的低くなっており、その結果、燃焼温度を下げることにより煤が発生してしまうことを回避できる。
【００７３】
次に図１６を参照しつつ本実施形態の運転制御について説明する。図１６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１０１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１０５に進んで低温燃焼が行われる。ステップ１０１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１０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ１１３に進んで第２の燃焼が行われる。
【００７４】
一方、スロットル１００においてフラグＩがセットされていないとき、即ち機関の運転状態が第２の運転領域ＩＩであるときにはステップ１０３に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ１１３に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。ステップ１０３においてＬ＜Ｙ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ１０４に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ１０５に進んで低温燃焼が行われる。
【００７５】
ステップ１０５では図１１（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１０６では図１７に示すマップから第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１又は第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２となる目標開度ＳＥが算出される。図１７は機関回転数Ｎと要求負荷Ｌと目標開度ＳＥとの関係を示した図１１（Ｂ）と同様のマップである。
【００７６】
次いでステップ１００１では要求負荷ＬがＬ１（図１７参照）より高いか否か、つまり要求負荷Ｌが高いか低いかが判別される。要求負荷Ｌが高いとき（図７において要求負荷ＬがＸ１（Ｎ）より上方に位置するとき）には、ステップ１００２にて第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が零にされ、ステップ１００３にて第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が目標開度ＳＥにされる。つまり、要求負荷Ｌが高いときには、背圧の排気ターボチャージャ１５の上流側にＥＧＲガス取り入れ口が配置された第１のＥＧＲ通路６１を介してＥＧＲガスが燃焼室５内に供給される。そのため、多量のＥＧＲガスを燃焼室５内に容易に供給することができる。また、第１のＥＧＲ通路６１を通るＥＧＲガスがＥＧＲクーラ６２により冷却されており、さらに混合気となった後でもインタークーラ１４によって冷却されるので比較的低温のＥＧＲガスが燃焼室内に大量に供給される。従って、燃焼室内における燃焼温度を下げることができ、これによりスモークの発生を抑えることができる。さらに、図１においては第１のＥＧＲ通路６１を通るＥＧＲガスは触媒２５の下流側から取り出されているので既に浄化されており、第１のＥＧＲ通路６１内のデポジットの量を少なくすることができる。
【００７７】
一方、要求負荷ＬがＬ１以下であるときには、ステップ１００４にて要求負荷ＬがＬ１よりも小さいＬ０（図１７参照）より高いか否か、つまり要求負荷ＬがＬ０とＬ１との間にあるか（Ｌ０＜Ｌ＜Ｌ１）が判別される。要求負荷ＬがＬ０以下である場合（図７において要求負荷ＬがＸ２（Ｎ）以下である場合）には、ステップ１００７に進んで、第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が目標開度ＳＥにされ、ステップ１００８にて第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が零にされる。つまり、要求負荷が低いときには、第２のＥＧＲ通路２９を流れる高圧のＥＧＲガスが燃焼室に供給されるようになる。第２のＥＧＲ通路２９は排気ポート１０の下流から取り出されているので第２のＥＧＲ通路２９を流れるＥＧＲガスはかなり高温になっている。そして、図１における第１のＥＧＲ通路２９内のＥＧＲガスは触媒コンバータ３２における酸化により発熱しているので、さらに高温状態で燃焼室に供給されることになる。従って、燃焼室に供給される混合気の温度を高温にできるので、要求負荷が低いときに低温燃焼を良好に行うことができる。要求負荷ＬがＬ０とＬ１との間にある場合（図７において要求負荷ＬがＸ１（Ｎ）とＸ２（Ｎ）との間にある場合）には、ステップ１００５に進んで、第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が目標開度ＳＥにされ、ステップ１００６にて第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が目標開度ＳＥにされる。つまり、この場合には第１および第２のＥＧＲ制御弁６４、３１の両方が開弁されることとなる。このような場合であっても、第２のＥＧＲ通路２９内のＥＧＲガスは吸気枝管１１内の吸気圧と排気マニホルド２２内の排気圧との差圧により流れるだけであるので、第１および第２のＥＧＲ通路６１、２９から極めて大量のＥＧＲガスが燃焼室内に流れ込むことはない。また、一方のＥＧＲ制御弁の閉弁と同時に他方のＥＧＲ制御弁の開弁を行う場合、例えば第１のＥＧＲ制御弁６４の開弁と同時に第２のＥＧＲ制御弁３１を閉弁する場合には排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６から吸気ダクト１３にわたってＥＧＲガスが一時的に存在しないようになりうる。しかしながら、このように第１および第２のＥＧＲ制御弁６４、３１の両方を開弁する領域を設定することにより、一方のＥＧＲ制御弁のみが開弁する領域と他方のＥＧＲ制御弁のみが開弁する領域との間の移行を円滑に行うことができる。
【００７８】
次いでステップ１１０では質量流量検出器２１により検出された吸入空気の質量流量（以下、単に吸入空気量と称す）Ｇａが取込まれ、次いでステップ１１１では図１０（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ１１２では吸入空気量Ｇａと目標空燃比Ａ／Ｆに基づいて空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。
【００７９】
このように低温燃焼が行われているときには要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化するとスロットル弁２０の開度および第１のＥＧＲ制御弁６４の開度又は第２のＥＧＲ制御弁３１の開度がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標開度ＳＴ，ＳＥに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Ｌが増大せしめられるとただちに燃焼室５内の空気量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。
【００８０】
一方、スロットル弁２０の開度又は第１のＥＧＲ制御弁６４の開度又は第２のＥＧＲ制御弁３１の開度が変化して吸入空気量が変化するとこの吸入空気量Ｇａの変化が質量流量検出器２１により検出され、この検出された吸入空気量Ｇａに基づいて燃料噴射量Ｑが制御される。即ち、吸入空気量Ｇａが実際に変化した後に燃料噴射量Ｑが変化せしめられることになる。
【００８１】
第２の燃焼が行われるステップ１１３では図１４に示されるマップから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Ｑとされる。次いでステップ１１４では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ１１５では図１３（Ｂ）に示すマップから第１のＥＧＲ制御弁６４の開度とされる目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ１００６では第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が零にされ、ステップ１００７では第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が目標開度ＳＥにされる。
【００８２】
次いでステップ１１６では質量流量検出器２１により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれる。次いでステップ１１７では燃料噴射量Ｑと吸入空気量Ｇａから実際の空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ  が算出される。次いでステップ１１８では図１２（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ１１９では実際の空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ  が目標空燃比Ａ／Ｆよりも大きいか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）Ｒ  ＞Ａ／Ｆのときにはステップ１２０に進んでスロットル開度の補正値ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ１１２へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）Ｒ  ≦Ａ／Ｆのときにはステップ１２１に進んで補正値ΔＳＴが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ１２２に進む。ステップ１２２ではスロットル弁２０の目標開度ＳＴに補正値ΔＳＴを加算することにより最終的な目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２０の開度がこの最終的な目標開度ＳＴとされる。即ち、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ  が目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が制御される。
【００８３】
このように通常燃焼が行われているときには要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化すると燃料噴射量がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標燃料噴射量Ｑに一致せしめられる。例えば要求負荷Ｌが増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。
【００８４】
一方、燃料噴射量Ｑが増大せしめられて空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆからずれると空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が制御される。即ち、燃料噴射量Ｑが変化した後に空燃比が変化せしめられることになる。
【００８５】
これまで述べた実施形態では低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Ｑはオープンループ制御され、通常燃焼が行われているときに空燃比がスロットル弁２０の開度を変化させることによって制御される。しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Ｑを空燃比センサ２７の出力信号に基づいてフィードバック制御することもできるし、また通常燃焼が行われているときに空燃比を第１のＥＧＲ制御弁６４の開度又は第２のＥＧＲ制御弁３１の開度を変化させることによって制御することもできる。
【００８６】
次いで図１８を参照しつつ本発明の他の実施形態の内燃機関の運転制御について説明する。図１８において、図１６と同一の参照番号により示されるステップは図１６の場合と同様であるので説明を省略する。
【００８７】
本実施形態においては例えば吸気枝管１１および排気マニホルド２２内にそれぞれ圧力センサ（図示しない）が配置されている。これら圧力センサはそれぞれ吸気圧Ｐ１および排気圧Ｐ２を計測し、これら排気圧Ｐ２と吸気圧Ｐ１との圧力差ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を算出するようになっている。次いでステップ２００１では圧力差ΔＰがＰ１より高いか否か、つまり圧力差ΔＰが高いか低いかが判別される。圧力差ΔＰと機関回転数Ｎおよび／または要求負荷Ｌとに基づいたＥＧＲ制御弁の目標開度に関する前述したようなマップ（図示しない）によって、圧力差ΔＰが高いときには、ステップ２００２にて第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が目標開度ＳＥにされ、ステップ２００３にて第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が零にされる。つまり、圧力差ΔＰが高いときには、この圧力差ΔＰのみによってＥＧＲガスをＥＧＲ通路２９に通して燃焼室５内に供給できる。このＥＧＲガスは排気ポート１０の下流から取り出されているのでかなり高温になっている。そして、図１８においてこのＥＧＲガスは触媒コンバータ３２における酸化により発熱しているので、さらに高温状態で燃焼室に供給されることになる。従って、燃焼室に供給される混合気の温度を高温にできるので、要求負荷が低いときに低温燃焼を良好に行うことができる。
【００８８】
一方、圧力差ΔＰがＰ１以下であるときには、ステップ２００４にて圧力差ΔＰがＰ１よりも小さいＰ０より高いか否か、つまり圧力差ΔＰがＰ０とＰ１との間にあるか（Ｐ０＜Ｌ＜Ｐ１）が判別される。圧力差ΔＰがＰ０以下である場合には、ステップ２００７に進んで、第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が零にされ、ステップ２００８にて第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が目標開度ＳＥにされる。つまり、圧力差ΔＰが小さいときには、第１のＥＧＲ通路６１を介してＥＧＲガスが燃焼室５内に供給される。また、第１のＥＧＲ通路６１を通るＥＧＲガスはＥＧＲクーラ６２により冷却されており、さらに混合気となった後においてもインタークーラ１４により冷却されるので、比較的低温のＥＧＲガスが燃焼室内に供給される。従って、燃焼温度を下げることができ、これによりスモークの発生を抑えることができる。さらに、図１８においては第１のＥＧＲ通路６１を通るＥＧＲガスが触媒２５の下流側から取り出されているので既に浄化されており、第１のＥＧＲ通路６１内のデポジットの量を少なくすることができる。圧力差ΔＰがＰ０とＰ１との間にある場合には、ステップ２００５に進んで、第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が目標開度ＳＥにされ、ステップ２００６にて第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が目標開度ＳＥにされる。つまり、この場合には第１および第２のＥＧＲ制御弁６４、３１が開放される。このような場合であっても、第２のＥＧＲ通路２９内のＥＧＲガスは吸気枝管１１内の吸気圧と排気マニホルド２２内の排気圧との差圧により流れるだけであるので、第１および第２のＥＧＲ通路６１、２９から極めて大量のＥＧＲガスが燃焼室内に流れ込むことはない。また、一方のＥＧＲ制御弁の閉弁と同時に他方のＥＧＲ制御弁の開弁を行う場合、例えば第１のＥＧＲ制御弁６４の開弁と同時に第２のＥＧＲ制御弁３１を閉弁する場合にはインタークーラ１４付近においてＥＧＲガスが一時的に存在しないようになりうる。しかしながら、このように第１および第２のＥＧＲ制御弁６４、３１の両方を開弁する領域を設定することにより、一方のＥＧＲ制御弁のみが開弁する領域と他方のＥＧＲ制御弁のみが開弁する領域との間の移行を円滑に行うことができる。このため、本実施形態の場合にも前述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８９】
なお、通常燃焼が行われるステップ１１３では図１４に示されるマップから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Ｑとされる。次いでステップ１１４では図１３（Ａ）に示すマップからスロットル弁２０の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ１１５では図１３（Ｂ）に示すマップから第１のＥＧＲ制御弁６４の開度とされる目標開度ＳＥが算出される。次いでステップ２００６では第２のＥＧＲ制御弁３１の開度ＳＥ２が零にされ、ステップ２００７では第１のＥＧＲ制御弁６４の開度ＳＥ１が目標開度ＳＥにされる。
【００９０】
【発明の効果】
各発明によれば、要求負荷が高い場合においても低温燃焼が可能できるという共通の効果を奏しうる。
【００９１】
さらに、２番目の発明によれば、１番目の発明の場合と同様の作用および効果を得ることができるという効果を奏しうる。
さらに、３番目の発明によれば、機関要求負荷が高い場合にさらに低温の再循環排気ガスを供給することができるという効果を奏しうる。
さらに、４番目の発明によれば、再循環排気ガスを積極的に冷却することができるという効果を奏しうる。
さらに、５番目の発明によれば、機関要求負荷が低い場合にさらに高温の再循環排気ガスを供給することができるという効果を奏しうる。
さらに、６番目の発明によれば、機関要求負荷の高い領域と低い領域との間の移行をスムーズに行う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】第一の実施形態の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】特定の運転状態におけるスモーク濃度ＦＳＮと、低温燃焼領域および普通の燃料領域とを示す図である。
【図６】低温燃焼領域と通常燃焼領域を示す概念図である。
【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】第一の実施形態の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】第２の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図１３】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１４】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図１５】低温燃焼が行われるときに空燃比Ａ／Ｆ及びＥＧＲガスの冷却方法を変更したそれぞれの場合の要求負荷Ｌと噴射時期との関係を示したグラフである。
【図１６】第一の実施形態の機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１７】第一の実施形態のＥＧＲ制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図１８】他の実施形態の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】
１…内燃機関
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
１４…インタークーラ
１５…ターボチャージャ
１６…コンプレッサ
２０…スロットル弁
２３…排気タービン
２５…酸化機能を有する触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）を担持したフィルタ
２９…第２のＥＧＲ通路（高圧排気ガス再循環通路）
３１…第２のＥＧＲ制御弁（第２の再循環排気ガス制御弁）
３２…触媒コンバータ
６１…第１のＥＧＲ通路（低圧排気ガス再循環通路）
６４…第１のＥＧＲ制御弁（第１の再循環排気ガス制御弁）
６２…ＥＧＲクーラ（冷却装置）
【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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