(57)【要約】【課題】ディーゼル機関での安定した低負荷リッチ空燃比運転を可能とする。【解決手段】ディーゼル機関１の吸気通路２にスロットル弁２７を設け、機関排気マニホルド３１とサージタンク２０とをＥＧＲ通路３３で接続する。機関排気通路３にＮＯＸ吸蔵還元触媒４１を配置する。機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯＸを還元浄化すべきときにスロットル弁を所定開度まで閉弁するとともにＥＧＲ通路からサージタンクにＥＧＲガスを供給することにより、機関に吸入される新気量を低減し機関への燃料噴射量を増大し、通常の失火限界より低いリッチ空燃比で機関を運転する。これにより、低負荷運転時にも安定したリッチ空燃比運転が可能となり、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にリッチ空燃比排気を供給することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転空燃比が理論空燃比近傍のリーン空燃比からリッチ空燃比の領域では運転空燃比を低下させるにつれて燃焼状態が不安定になり、運転空燃比を低下させていくとリッチ空燃比領域のある特定リッチ空燃比までは燃焼状態の不安定の度合いが増大し、空燃比が前記特定リッチ空燃比より下回ると急激に燃焼状態が安定する内燃機関であって、必要に応じて、前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での安定した運転を行うようにした内燃機関。
【請求項２】
前記機関は更に、燃焼室内の不活性ガス量を増大するにつれて煤の発生量が増大してある特定不活性ガス量になったときに煤の発生量がピークになり前記特定不活性ガス量より燃焼室内の不活性ガス量を多くすることにより煤の生成が阻止されるようになる内燃機関であり、前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転は、燃焼室内の不活性ガス量が前記特定不活性ガス量より多い状態で行う、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記機関は圧縮着火機関であり、前記特定リッチ空燃比は、１０またはそれ以下の空燃比である請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記特定リッチ空燃比より高い空燃比の運転からの前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転への切換は、前記特定リッチ空燃比より高い空燃比での運転から、燃焼室内の新気量を変化させずに燃料を増加することにより実行する、請求項２または請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転を、機関低負荷運転領域で実行する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記機関低負荷運転領域は、機関出力トルク１５Ｎｍまたはそれ以下の領域である、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記機関は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁の燃料噴射圧は、６０ＭＰａまたはそれ以上である、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記燃料噴射圧は１３０ＭＰａまたはそれ以上である、請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
更に、機関排気通路に排気浄化のためにリッチ空燃比の排気を必要とする排気浄化触媒を備え、前記排気浄化触媒が排気浄化のためにリッチ空燃比排気を必要とするときに前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転を行うようにした、請求項１から請求項８のいずれか１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】
内燃機関の燃焼状態は運転空燃比によって大きく変化する。一般に空燃比が低下して理論空燃比よりリッチになると機関の燃焼状態は空燃比の低下とともに悪化して不安定になる。
【０００３】
特にディーゼル機関では、燃焼状態が最も安定するのはリーン空燃比の領域であり、リーン空燃比であっても空燃比が低下するにつれて燃焼状態が悪化し、多量の煤が発生するようになる。また、リッチ空燃比の領域では燃焼は更に不安定になり失火が生じやすくなる。このため、従来ディーゼル機関を理論空燃比またはリッチ空燃比で安定して運転することは困難であると考えられていた。
【０００４】
一方、機関排気を浄化する排気浄化触媒には一定の時間毎にリッチ空燃比の排気を供給する必要があるものがある。
例えば、流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに排気中のＣＯ等の還元成分や未燃ＨＣ成分により吸蔵したＮＯＸを還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒が知られている。
【０００５】
ところが、このようなＮＯＸ吸蔵還元触媒を排気浄化触媒としてディーゼル機関の排気通路に配置して排気中のＮＯＸを浄化する場合には、通常運転時のリーン空燃比排気中のＮＯＸを吸蔵した後に、一時的にリッチ空燃比の排気をＮＯＸ吸蔵還元触媒に供給して、吸蔵したＮＯＸを浄化する必要が生じる。
ところが、前述したように、リッチ空燃比の排気を触媒に供給するためにディーゼル機関の運転空燃比を低下させていくと、リーン空燃比の領域であっても多量の煤が発生したり、燃焼が不安定になる問題がある。
【０００６】
例えば、特許文献１は、ディーゼル機関においていわゆる低温燃焼を行うことにより、煤の発生を阻止しながら機関空燃比を理論空燃比或いはリッチ空燃比まで低下させることを可能とする技術を開示している。
特許文献１は、ディーゼル機関のように、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生が次第に増大する内燃機関において、煤の発生量が増大してピークに達するある特定の不活性ガス量が存在し、燃焼室内の不活性ガス量を上記特定不活性ガス量より更に増大させることにより、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煤が生成される温度よりも低い温度に抑制することが可能であることを開示している。すなわち、特許文献１の機関は、燃焼室内の不活性ガス量を煤の発生量がピークに達する上記特定不活性ガス量より更に多い量にすることにより、燃焼室内における煤の生成を阻止しながら理論空燃比またはリッチ空燃比の運転を行うことを可能としている。（本明細書では、燃焼室内の不活性ガス量を上記特定不活性ガス量より増大させた状態で行う、煤の発生を伴わない機関の運転を「低温燃焼運転」と呼んでいる。）
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３６９２３号公報
【特許文献２】
特開平１１−３５１０１６号公報
【特許文献３】
特開２０００−６４８７９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、低温燃焼を行うことにより煤の発生を伴うことなくディーゼル機関の運転空燃比を低下させることが可能となる。しかし、ディーゼル機関をリッチ空燃比で運転する場合には、上記の煤の問題以外にも問題が生じる。
【０００９】
ディーゼル機関等では、通常大幅なリーン空燃比運転が行われているため吸入空気量を変えずに燃料の増量のみで空燃比をリッチにしようとすると、大幅な燃料の増量が必要となる。このため、ディーゼル機関の運転空燃比を低下させる際には、吸気絞りやＥＧＲ（排気ガス還流）、若しくはその両方を行うことにより燃焼室内に吸入される新気量を低下させる必要がある。（なお、本明細書に言う運転空燃比とは、燃焼室に供給される新気の量と燃焼室に供給（噴射）される燃料量との比として定義される。）
ところが、吸気絞りやＥＧＲにより新気量を低減すると燃焼室内での燃焼が不安定になる。このため、ディーゼル機関の空燃比を低下させながら安定した運転を維持するためには燃焼室内の新気の量をある程度以下に低下させることができない。このことは、低空燃比運転時にも新気の量に見合っただけの量の燃料を燃焼させる必要があるため、燃料量もある程度以上減少させることができないこと、すなわち、安定な低空燃比運転を行うためには機関出力トルクをある程度高く維持する必要があることを意味している。
【００１０】
これは、低温燃焼を行った場合も同じであり、不活性ガスとしてのＥＧＲ供給量を増大すると（すなわち新気量を低減して機関出力トルクを低下させると）燃焼が不安定になるため、低出力時に安定したリッチ空燃比燃焼を得ることは困難である。
ところが、実際の運転においては市街地走行などでは機関の低負荷運転が続く場合がある。このような場合に、安定したリッチ空燃比運転を行うことができないと、排気浄化にリッチ空燃比の排気を必要とするＮＯＸ吸蔵還元触媒などのような排気浄化触媒を使用している場合には排気浄化が不十分になる問題がある。
【００１１】
通常、このような場合には、燃焼不安定による失火などが生じても運転に大きな支障がでないように、例えば機関減速時などに一時的に機関空燃比をリッチ空燃比にするようにすることが行われる。しかし、この場合にも燃焼が不安定であるため出力トルクの変動が生じたり運転者の予期しないトルク変動（増大）が発生するため、車両用機関では運転性が悪化する等の問題が生じる。
本発明は上記従来技術の問題に鑑み、低負荷運転時においても安定したリッチ空燃比の運転を行うことにより、排気浄化触媒の排気浄化作用を良好に維持することが可能な内燃機関を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、運転空燃比が理論空燃比近傍のリーン空燃比からリッチ空燃比の領域では運転空燃比を低下させるにつれて燃焼状態が不安定になり、運転空燃比を低下させていくとリッチ空燃比領域のある特定リッチ空燃比までは燃焼状態の不安定の度合いが増大し、空燃比が前記特定リッチ空燃比より下回ると急激に燃焼状態が安定する内燃機関であって、必要に応じて、前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での安定した運転を行うようにした内燃機関が提供される。
【００１３】
前述したように、ディーゼル機関においては低負荷（低出力トルク）領域において安定したリッチ空燃比燃焼を行うことは困難な問題があった。また、低温燃焼運転を行うことにより、ある程度煤の発生を伴わないリッチ空燃比の運転は可能であるものの、リッチ空燃比運転可能な機関負荷領域は比較的狭く、特に低負荷領域でのリッチ運転を行うことは困難である。
【００１４】
ところが、本発明者はある条件の下ではディーゼル機関での安定した低負荷リッチ空燃比運転が可能となることを実験的に見出した。
例えば吸気絞りまたはＥＧＲを用いた低空燃比運転時に、吸気条件は変化させずに徐々に機関への燃料噴射量を増大して空燃比を低下させると燃焼状態は空燃比の低下とともに徐々に悪化して不安定になり、失火が生じやすくなる。このため、従来燃焼状態の悪化が始まる空燃比（例えば理論空燃比近傍の空燃比）以下でのディーゼル機関の運転は困難であると考えられていた。
【００１５】
ところが、実際には上記燃焼状態の悪化が始まる空燃比から更に燃料を増量して空燃比を低下させて行くと、ある特定のリッチ空燃比に到達するまでは空燃比の低下とともに燃焼状態は悪化するものの、空燃比が上記特定空燃比を更に下回ると燃焼状態が急激に変化して燃焼が極めて安定することが判明したのである。この燃焼が安定する空燃比は、従来ディーゼル機関では失火が生じると考えられていたリッチ限界空燃比（例えば理論空燃比近傍の空燃比）より遙かにリッチ空燃比となることが判明している。
【００１６】
すなわち、燃焼室内に供給する新気量を少なくした状態で例えばリーン空燃比の安定した機関の運転を行っている状態から、新気量は変えずに燃料量のみを増大して空燃比を前記特定リッチ空燃比以下に低下させると、新気量の少ない状態のままでリッチ空燃比の安定した運転が可能となる。
この場合、供給した燃料の全量が燃焼に寄与する訳ではなく、一部のみが燃焼し、残りは未燃ＨＣやＣＯ等として排気とともに燃焼室から排出されることになるが、このため機関出力は燃料供給量ではなく実際に燃焼する燃料量、すなわち供給する新気量により定まるようになり、新気量が少ない場合には機関出力トルクも小さくなる。また、燃焼状態は極めて安定しており煤の発生も非常に少ないことが判明している。
【００１７】
すなわち、上記のように従来の限界と考えられていた空燃比より遙かに低い空燃比で燃焼を行うことにより、従来より低負荷の領域でも安定したリッチ空燃比燃焼を行うことが可能となるのである。
本明細書では、前述の特定空燃比より低い空燃比で得られる安定したリッチ空燃比燃焼を通常の不安定なリッチ空燃比燃焼と区別するために「超リッチ空燃比燃焼」と呼ぶことにする。
【００１８】
すなわち、請求項１の発明では、上記のように空燃比を特定リッチ空燃比以下まで低下させた超リッチ空燃比燃焼を行うことにより、低負荷での安定したリッチ空燃比運転を行うことが可能となる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、前記機関は更に、燃焼室内の不活性ガス量を増大するにつれて煤の発生量が増大してある特定不活性ガス量になったときに煤の発生量がピークになり前記特定不活性ガス量より燃焼室内の不活性ガス量を多くすることにより煤の生成が阻止されるようになる内燃機関であり、前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転は、燃焼室内の不活性ガス量が前記特定不活性ガス量より多い状態で行う、請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項２の発明では低温燃焼を行う機関で、低温燃焼中に超リッチ空燃比燃焼が行われる。これにより、低温燃焼時の低負荷時にも安定したリッチ空燃比運転を行うことが可能となる。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、前記機関は圧縮着火機関であり、前記特定リッチ空燃比は、１０またはそれ以下の空燃比である請求項１または請求項２に記載の内燃機関が提供される。
【００２２】
すなわち、請求項３の発明では超リッチ空燃比燃焼時の空燃比は１０またはそれ以下とされる。これにより、従来ディーゼル機関が運転可能と考えられていた空燃比の下限値より遙かに低い（リッチな）空燃比での安定した低負荷リッチ運転が可能となる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、前記特定リッチ空燃比より高い空燃比の運転からの前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転への切換は、前記特定リッチ空燃比より高い空燃比での運転から、燃焼室内の新気量を変化させずに燃料を増加することにより実行する、請求項２または請求項３に記載の内燃機関が提供される。
【００２４】
すなわち、請求項４の発明では特定リッチ空燃比以上の空燃比での運転（リーン空燃比運転を含む）から、機関への燃料供給量を増大させることにより超リッチ空燃比燃焼への移行を行う。これにより、ＥＧＲガス量や吸入空気量を変化させる場合より迅速に、しかも機関出力トルクの変動を伴わずに超リッチ空燃比燃焼への移行を行うことが可能となる。
【００２５】
請求項５に記載の発明によれば、前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転を、機関低負荷運転領域で実行する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関が提供される。
【００２６】
すなわち、請求項５の発明では超リッチ空燃比燃焼による運転は機関低負荷運転領域で実行する。このため、機関低負荷運転時にもリッチ空燃比の燃焼を行い、リッチ空燃比の機関排気を発生させることが可能となる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、前記機関低負荷運転領域は、機関出力トルク１５Ｎｍまたはそれ以下の領域である、請求５に記載の内燃機関が提供される。
【００２８】
すなわち、例えば自動車用機関の場合、法規制によるテスト走行モードで１５Ｎｍ以下の低負荷領域での連続運転を行った場合の排気ガスの性状テストが要求される場合がある。請求項６の発明では、例えばＮＯＸ吸蔵還元触媒のような排気浄化触媒を用いた場合にも、要求される低負荷運転モードでリッチ空燃比の排気を排気浄化触媒に供給することができる。
【００２９】
請求項７に記載の発明によれば、前記機関は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁の燃料噴射圧は、６０ＭＰａまたはそれ以上である、請求項３に記載の内燃機関が提供される。
【００３０】
請求項８に記載の発明によれば、前記燃料噴射圧は１３０ＭＰａまたはそれ以上である、請求項７に記載の内燃機関が提供される。
【００３１】
実験により確認された事実では、燃焼室に燃料噴射を行う場合には、噴射圧が６０ＭＰａ、好ましくは１３０ＭＰａ以上の場合に良好な超リッチ空燃比燃焼を得ることができる。請求項７、請求項８の発明では燃料噴射圧力を６０ＭＰａまたは１３０ＭＰａ以上とすることにより超リッチ空燃比燃焼を得ている。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、更に、機関排気通路に排気浄化のためにリッチ空燃比の排気を必要とする排気浄化触媒を備え、前記排気浄化触媒が排気浄化のためにリッチ空燃比排気を必要とするときに前記特定リッチ空燃比以下の空燃比での運転を行うようにした、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の内燃機関が提供される。
【００３３】
すなわち、請求項９の発明では例えば、ＮＯＸ吸蔵還元触媒等のように排気浄化のためにリッチ空燃比の排気を必要とする排気浄化触媒を用いた排気浄化が行われる。この場合、排気浄化触媒がリッチ空燃比の排気を必要とするときに超リッチ空燃比燃焼を行うことにより、機関低負荷運転時にも排気浄化触媒の排気浄化性能の低下を防止することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を適用した内燃機関の概略構成の一例を示す図である。
図１において、符号１は内燃機関全体を示す。本実施形態では機関１として４サイクルディーゼル機関が使用される。図１において、２はエンジン１の吸気通路、２０は吸気通路２に設けられたサージタンク、２１はサージタンク２０と各気筒の吸気ポートとを接続する吸気枝管である。本実施形態では、吸気通路２には吸気通路２を流れる吸入空気の流量を絞るスロットル弁２７、および吸気を冷却するインタクーラ２６が設けられている。スロットル弁２７はソレノイド、バキュームアクチュエータ等の適宜な形式のアクチュエータ２７ａを備え、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの制御信号に応じた開度をとる。
吸気通路２に流入した大気は、排気過給機（ターボチャージャ）３５の圧縮機により昇圧され、吸気通路２に設けたインタクーラ２６により冷却された後サージタンク２０、枝管２１を経て各気筒に吸入される。
【００３５】
図１に１１１で示すのは、各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁１１１は、高圧燃料を貯留する共通の蓄圧室（コモンレール）１１５に接続されている。機関１の燃料は高圧燃料ポンプ１１３により昇圧されてコモンレール１１５に供給され、コモンレール１１５から各燃料噴射弁１１１を介して直接各気筒内に噴射される。
【００３６】
また、図１に３１で示すのは各気筒の排気ポートと排気通路３とを接続する排気マニホルド、３５で示すのはターボチャージャである。ターボチャージャ３５は排気通路３の排気により駆動される排気タービン３５ａと、この排気タービンにより駆動される吸気圧縮機３５ｂとを備えている。図１に３７で示すのは排気通路に配置された、排気の空燃比を検出する空燃比センサである。空燃比センサ３７からの排気空燃比に対応した出力信号は、ＥＣＵ３０の入力ポートに供給されている。
【００３７】
更に、本実施形態ではエンジン排気の一部を吸気系に循環させるＥＧＲ装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気マニホルド３１と吸気サージタンク２０とを連通するＥＧＲ通路３３、およびＥＧＲ通路３３上に配置されたＥＧＲ弁２３、およびＥＧＲ弁２３上流側のＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラ４５を備えている。ＥＧＲ弁２３は図示しないステッパモータ、ソレノイドアクチュエータ等のアクチュエータを備え、ＥＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとり、ＥＧＲ通路３３を通って吸気サージタンク２０に流入するＥＧＲガス流量を制御する。
【００３８】
図１に３０で示すのは、エンジン１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。本実施形態のＥＣＵ３０は、公知の構成のマイクロコンピュータとして構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入力ポート、出力ポートを双方向性バスで相互に接続した構成とされている。ＥＣＵ３０はエンジン１の燃料噴射量、回転数の制御を行うとともに、本実施形態では後述するように必要に応じて機関１の超リッチ空燃比燃焼を行う。
【００３９】
これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、前述の排気空燃比センサ３７が図示しないＡ／Ｄ変換器を介して接続されているほか、各気筒の燃料噴射弁１１１に接続され、各燃料噴射弁１１１からの燃料噴射量及び燃料噴射次期を制御している。
本実施形態では、機関１の排気通路３の過給機下流側には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒４１が配置されている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒４１は、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸収、吸着またはその両方により触媒内燃機関に吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比になったときに、排気中のＣＯ等の還元成分や未燃ＨＣを用いて吸蔵したＮＯＸを還元浄化する触媒である。
【００４０】
本実施形態の機関１はディーゼル機関であり、大部分の機関運転状態においてリーン空燃比燃焼を行う。このため、通常の運転中、ＮＯＸ吸蔵還元触媒４１は排気中のＮＯＸを吸蔵する。従って、機関１のリーン空燃比運転がある時間続くと触媒４１のＮＯＸ吸蔵量は増大して、触媒４１が吸蔵したＮＯＸで飽和してしまうおそれがある。ＮＯＸ吸蔵還元触媒４１が吸蔵したＮＯＸで飽和すると触媒４１はもはや排気中のＮＯＸを吸蔵することができなくなり、排気中のＮＯＸが触媒４１を通過してそのまま大気に放出されてしまうようになる。
【００４１】
従って、ＮＯＸ吸蔵還元触媒４１を用いて機関排気を浄化している場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒４１が吸蔵したＮＯＸで飽和する前に機関排気をリッチ空燃比にして、触媒４１に吸蔵されたＮＯＸを還元浄化する事により触媒４１のＮＯＸ吸蔵量を低下させる必要がある。
そこで、本実施形態ではリーン空燃比運転中にＮＯＸ吸蔵還元触媒４１の吸蔵ＮＯＸを還元浄化する必要が生じた時には、機関１で前述の超リッチ空燃比運転をおこなった後、ＮＯＸ吸蔵還元触媒４１にリッチ空燃比の排気を供給するようにしている。
【００４２】
ディーゼル機関の空燃比を低下させるためには、燃料噴射量を増量する必要があるが、通常運転時の空燃比はかなりリーンであるため燃焼室内に吸入される空気量を維持したままで燃料噴射量増量のみにより空燃比を低下させると、大幅な機関出力増大を生じる。
このため、本実施形態では吸気通路２に配置したスロットル弁２７を絞り燃焼室に吸入される空気（新気）量を低減させ、大幅な燃料噴射量増量を伴わずに空燃比を低下させている。また、吸気行程で燃焼室に充填されるガス量全体が大幅に減ってしまうと圧縮時の燃焼室内温度が低下して圧縮着火が困難になる場合がある。
【００４３】
このため、本実施形態ではスロットル弁２７を絞るとともにＥＧＲ弁２３を開き排気マニホルド内の排気の一部をＥＧＲクーラー４５で冷却後ＥＧＲ通路３３を通じてサージタンク２０から燃焼室内に導入して、燃焼室内に吸入されるガス量（新気量とＥＧＲガス量との合計量）が大幅に低下することを防止している。このように、吸気絞りとＥＧＲとを併用することによりディーゼル機関であっても空燃比をある程度低下させた状態で安定した運転を行うことができる。ところが、更に燃料噴射量を増量して空燃比を理論空燃比付近まで低下させると燃焼が次第に不安定になり、空燃比がリッチになると更に、燃料噴射量の増大（空燃比の低下）とともに燃焼の不安定が増大し失火が生じやすくなる。
【００４４】
このため、従来ディーゼル機関のリッチ空燃比での安定した運転は困難であると考えられていた。
ところが、本発明者はディーゼル機関の燃焼研究の過程で、リッチ空燃比側で空燃比の低下とともに悪化する燃焼状態が、空燃比が更に低下してある特定のリッチ空燃比以下になると急激に変化して、極めて安定した燃焼状態になることを発見した。
【００４５】
すなわち、空燃比が低下するにつれて燃焼は不安定になり、リッチ空燃比領域では空燃比の低下による燃焼の悪化が大きくなるものの、空燃比を更に低下させたある特定リッチ空燃比以下の空燃比では極めて安定したリッチ空燃比運転、すなわち前述したように超リッチ空燃比燃焼運転が可能となるのである。
図２及び図３は空燃比低下による燃焼状態変化の実験結果の一例を説明する図である。
【００４６】
図２、図３では、図１の機関１として直列４気筒、排気量１９９５ｃｍ３（ボア８２．２ｍｍ×ストローク９４ｍｍ）のターボチャージャ直噴ディーゼル機関（インタークーラ付き）を用いて、機関回転数を一定（約２０００ｒｐｍ）に維持して運転を行っている。また、スロットル弁２７とＥＧＲ弁２３との開度は固定して吸入空気量（新気量）を一定（０．３グラム／回転）に維持したままで、燃料噴射量を増量することにより空燃比を変化させている。本測定においては燃料噴射圧は１３０ＭＰａ（一定）、燃料噴射タイミングは−１８度ＡＴＤＣ（一定）とされ、燃料噴射量は８．８〜１９．９ｍｍ３の範囲で変化している。
図２、図３でＡ〜Ｈで示した点の空燃比（Ａ／Ｆ）は、ＡからＨの順に、Ａ／Ｆ＝１７．６（Ａ）、１５．７（Ｂ）、１３．９（Ｃ）、１３．１（Ｄ）、１２．０（Ｅ）、１１．０（Ｆ）、１０．２（Ｇ）、９．０（Ｈ）となっている。
【００４７】
図２は、上記の状態で燃料噴射量を変化させることにより空燃比を変化させた場合のδＰｉの変化を示している。
ここで、δＰｉは、各サイクルの図示平均有効圧力の標準偏差を表しており、δＰｉが大きいほど各サイクルの平均有効圧力の変動が大きいことを意味する。
従って、δＰｉの値は、燃焼状態の安定の度合いを表す指標として用いることができ、δＰｉの値が小さいほど燃焼が安定しており、大きいほど不安定になっている。経験的にはδＰｉの値が１０ｋＰａ以下の領域では燃焼状態が安定していると言うことができる。
【００４８】
図２では、まずリーン空燃比側で安定した低負荷運転状態（出力トルク１５Ｎｍ程度）を維持しながら最も空燃比が低下するようにスロットル弁２７開度とＥＧＲ弁２３開度、及び燃料噴射量を調整した。この状態では、空燃比は１７．６となり図２に示すようにδＰｉは８ｋＰａ程度であり、安定した運転状態が得られている（図２、Ａ点）。
【００４９】
しかし、上記の空燃比１７．６の運転状態から、機関回転数、スロットル弁２７開度、ＥＧＲ弁２３開度を一定に維持したまま徐々に燃料噴射量を増大して空燃比を低下させると燃焼状態は不安定になり、図２、点Ｂ（Ａ／Ｆ＝１５．７）付近ではδＰｉは２０ｋＰａ付近まで上昇して失火寸前になる。
また、空燃比がリッチになるとδＰｉは多少低下するものの（点Ｃ）、空燃比の低下とともに再度δＰｉの値が増大して燃焼状態が不安定になって行く。
【００５０】
すなわち、この例では、従来の考え方では安定した運転が可能な空燃比の下限値（リッチ限界）は１７．６（点Ａ）である。
ところが、上記の点Ｃ（Ａ／Ｆ＝１３．９）から更に燃料噴射量を増大させて行くと、燃焼状態は徐々に悪化するものの、図２の点Ｇ（Ａ／Ｆ＝１０．２）付近から急激にδＰｉの値が減少し、点Ｈ（Ａ／Ｆ＝９．０）ではδＰｉの値は６ｋＰａ程度となり、極めて安定した運転状態を得ることができることが判明した。この運転点の空燃比は、従来運転限界と考えられていた下限値（リッチ限界）より遙かに低い値となっている。
【００５１】
図２から判るように、この燃焼状態の急激な変化は空燃比１０付近を境に生じ、空燃比１０以下では燃焼状態は急激に安定する。
図３は、この時の機関出力変化を示す。図３から判るように機関出力トルクは、安定したリーン空燃比運転（点Ａ）から空燃比が低下するにつれて（燃料噴射量が増大するにつれて）増大するが、理論空燃比よりややリッチになると逆に減少を始め、空燃比１０付近で燃焼状態の急激な変化が生じると急激に低下し、１３Ｎｍ以下になる（点Ｈ）。
【００５２】
すなわち、安定した低負荷運転が可能なリーン空燃比限界（点Ａ）から新気量を変えずに燃料噴射量を増大させることにより大幅に空燃比を低下させて超リッチ燃焼運転（点Ｈ）に移行すると、リーン空燃比限界（点Ａ）と同等若しくはそれ以下の出力トルクで安定したリッチ空燃比運転を行うことが可能となるのである。
図４は、図２、図３の各点での運転における筒内圧線図と、この筒内圧に基づいて算出した熱発生率とを示しており、筒内圧カーブＡ〜Ｈ、及び熱発生率カーブＡ′〜Ｈ′は、それぞれ図２、図３の点Ａ〜Ｈの運転における筒内圧と熱発生率との変化を示している。
【００５３】
図４においてカーブ０は、燃焼室内で燃焼が生じていない状態における筒内圧変化（すなわち、モータリング時の圧縮／膨張のみによる圧力変化）を示している。いま、筒内圧について見ると、空燃比１７．６（点Ａ）の筒内圧変化（カーブＡ）では明瞭な燃焼による圧力上昇（カーブＡの点Ｐ近傍）ピークが見られ、熱発生率カーブ（図４、カーブＡ′）では上死点後の熱発生率の増加率（傾き）も比較的大きく、燃焼が安定していることが判る。
【００５４】
ところが、この状態から空燃比が低下して１５．７（図２、点Ｂ）になると、燃焼による筒内圧の圧力上昇はほとんどなくなってしまい（カーブＢ）、熱発生率の傾きも小さくなる（カーブＢ′）。すなわち、この状態では燃焼は極めて不安定であり、失火が生じる寸前になっていることが判る。
しかし、その後更に空燃比を低下させていくと、筒内圧カーブにおける燃焼による圧力上昇、熱発生率カーブの傾斜とはともに増大し（カーブＣ、Ｃ′）、超リッチ燃焼運転時（カーブＨ、Ｈ′）では、ほぼ点Ａと同じ状態まで回復している。すなわち、空燃比を低下させて行き、燃焼不安定なリッチ空燃比領域を通過して超リッチ空燃比燃焼領域に到達すると、再び燃焼状態は安定するのである。また、この状態では燃焼が安定するため発生する煤の量も極めて少なくなる。
【００５５】
上記は、比較的ＥＧＲガス量が少ない運転状態からの超リッチ空燃比燃焼での計測結果を示しているが、煤の発生を抑制するためにＥＧＲガス供給量を通常より増大させた低温燃焼運転から超リッチ空燃比燃焼に移行した場合も上記と同様に安定した低負荷リッチ空燃比運転を得ることができる。
上述のように、実際に機関の空燃比を低下させて行くと従来運転が不可能と考えられていたリッチ空燃比領域（例えばＡ／Ｆ≦１０の領域）では、現実に安定した低負荷運転を行うことができる。しかし、現在のところ、何故超リッチ空燃比燃焼領域では燃焼が安定するメカニズムは明らかになっていない。
【００５６】
この、超リッチ空燃比燃焼領域で燃焼が安定する理由として発明者により以下に説明するいくつかの仮説が立てられているものの、いずれも未だ実証されておらず仮説の域を出ていない。
以下、超リッチ空燃比燃焼領域で燃焼が安定するメカニズムの仮説について説明する。
【００５７】
（１）高圧燃料噴射による混合気形成状態の改善
図５は、燃料噴射圧を低下させた場合の筒内圧及び熱発生率の変化を示す図４と同様な図である。前述したように、図２から図４の計測は、燃料噴射圧１３０ＭＰａの条件下で行っている。これに対して、図５の例では燃料噴射圧を６０ＭＰａとした場合を示している。
【００５８】
前述したように、図４（燃料噴射圧１３０ＭＰａ）の場合には、空燃比を低下させていくと一旦Ａ／Ｆ＝１５．７（カーブＢ及びＢ′）付近で失火寸前まで燃焼状態が悪化するものの、更に空燃比を低下していくと燃焼状態は回復する。
これに対して、燃料噴射圧を６０ＭＰａまで低下した図５の場合には、筒内圧の燃焼によるピーク、熱発生率の傾斜はともに空燃比が低下するにつれて小さくなってしまい、回復することがない。このため、図５の場合には空燃比を１２より低下させると失火が生じている。
【００５９】
すなわち、超リッチ空燃比燃焼を行うためには、筒内燃料噴射圧は少なくとも６０ＭＰａ以上であることが必要とされ、更に１３０ＭＰａ以上であることが好ましいと言える。
このことから、図２から図４に示す場合に空燃比１０以下で燃焼が安定することに、燃料噴射圧が何らかの形で寄与している可能性がある。
【００６０】
すなわち、燃料噴射圧が６０ＭＰａより高い範囲では、高い噴射圧により燃焼室内に噴射された燃料が微粒化し、空気との混合が促進されるため、低空燃比領域においても燃焼に適した混合気が形成されるため超リッチ空燃比燃焼が可能となっている可能性があるのである。
（２）未燃ガスの燃焼室への還流
図６は、機関１のサージタンク２０に空燃比センサを仮設して運転中の吸気の空燃比を計測した結果を示す。図６の縦軸は吸気空燃比（吸気中の新気量と未燃燃料などの可燃成分量との比）を横軸は排気の空燃比を、それぞれ示している。
【００６１】
本実施形態では、図１に示すようにＥＧＲ通路３３により排気マニホルド３１内の排気の一部がＥＧＲガスとしてサージタンク２０に還流されている。このため、各気筒から排出される排気中に可燃物（未燃燃料など）が含まれている場合には、その可燃物の一部も排気とともに還流することとなる。
一方、運転空燃比がリッチになればなるほど排気中の可燃物（ＨＣ、ＣＯ等）は増大するため、ＥＧＲガスとともにサージタンクに戻る可燃物の量も増大する。
【００６２】
このため、この可燃物を多量に含む排気はサージタンクに流入する新気と混合して混合気を形成する。この混合気の空燃比はＥＧＲガスとともにサージタンクに還流する可燃物の量が多いほど、言い換えれば運転空燃比が低下すれほど低く（リッチに）なる。図６は、排気空燃比と吸気空燃比との関係を示すものであるが、図６に示すようにサージタンク２０内の吸気空燃比は排気空燃比が低下するにつれて低下し、超リッチ空燃比燃焼実施時（排気空燃比で１０以下）には燃焼室に吸入される吸気の空燃比は既に１７程度まで低下しており可燃空燃比の範囲に入っている。
【００６３】
しかも、この吸気は、ＨＣ、ＣＯ等の可燃物と新気との極めて良好な混合気であり燃焼しやすい状態になっている。このため、超リッチ空燃比燃焼時には吸気行程から燃焼しやすい状態の混合気が既に燃焼室内に充填されていることになる。超リッチ空燃比燃焼時には、圧縮行程上死点近傍で噴射された燃料が着火すると燃焼室全体に形成された上記の可燃混合気が燃焼室全体で燃焼するようになるため、失火が生じず極めて安定した燃焼が可能となっている可能性がある。
【００６４】
すなわち、超リッチ空燃比燃焼時には機関のＥＧＲ通路を介して未燃燃料などの可燃物を含む未燃ガスが燃焼室に回り込み再吸入され、この未燃ガスが良好な燃焼状態を作り出すとも考えられるのである。
いずれにせよ、上記２つの説はまだ仮設の域を出ていないため超リッチ空燃比燃焼のメカニズムについては今後の研究による解明を待つ必要があるが、現実にディーゼル機関を燃焼不安定なリッチ空燃比領域より更に低い空燃比で運転すると極めて安定した低負荷運転が可能になるのである。
【００６５】
本実施形態の機関では、上述したように超リッチ空燃比燃焼を行うことにより安定した低負荷リッチ空燃比運転を行うことが可能となるため、低負荷運転時にもＮＯＸ吸蔵還元触媒４１の吸蔵したＮＯＸを効率的に還元浄化することが可能となる。
実際の機関運転状態では市街地走行時などで低負荷（低出力トルク）運転が行われる機会が多い。例えば図７は通常の市街地走行を模したＥＣ（欧州共同体）規則による車両走行テストモードの一例を示している。図７に示すように市街地走行モードでは出力トルク１５Ｎｍ以下の低負荷領域での運転の機会が多くなっている。このため、市街地走行モードで運転中にＮＯＸ吸蔵還元触媒等の吸蔵したＮＯＸを効率的に還元浄化するためには、ディーゼル機関においても例えば出力トルク１５Ｎｍ以下の低負荷運転時に安定したリッチ空燃比燃焼運転を行う必要が生じるのである。
【００６６】
前述したように、従来ディーゼル機関をリッチ空燃比で（特に低負荷時にリッチ空燃比で）安定して運転することは困難と考えられていた。このため、従来市街地走行モードにおいてＮＯＸ吸蔵還元触媒などの排気浄化にリッチ空燃比排気を必要とする排気浄化装置を使用する場合には、多少燃焼状態が不安定になったり失火が生じても運転には大きな障害を生じない減速運転（エンジンブレーキ）中に短時間理論空燃比近傍のリッチ空燃比運転を行っていた。
【００６７】
ところが、上述した超リッチ空燃比燃焼時より空燃比の高い（リーンな）従来のリッチ空燃比運転では、燃焼状態が不安定であり安定してリッチ空燃比排気を触媒に供給できない問題があるだけでなく、減速運転中にリッチ空燃比への切換を行うことにより大きな機関出力トルク変動（増大）が生じる問題がある。
減速運転中の大きな機関出力トルク変動は、運転そのものには大きな障害を生じることはないものの、運転者が予期しない出力トルク変動が生じるために運転性（いわゆる乗り心地）が大幅に悪化する問題が生じていた。
【００６８】
これに対して、前述したように、超リッチ空燃比燃焼を行うことにより本実施形態では安定した低負荷リッチ空燃比燃焼を行うことができるため、市街地走行時等にも減速運転中に限定されることなくＮＯＸ吸蔵還元触媒等にリッチ空燃比の排気を供給することが可能となる。
更に、超リッチ空燃比燃焼運転は空燃比１０以下という従来の常識よりはるかに低い空燃比で行われるため、排気中のＨＣ、ＣＯ等の排気浄化に寄与する成分の量も従来よりはるかに多くなる。このため、例えばＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯＸを還元浄化する際にも従来の理論空燃比に比較的近い空燃比でのリッチ空燃比運転の場合に比して短時間で吸蔵ＮＯＸの還元浄化を完了することが可能となる。
【００６９】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、低負荷運転時に機関の安定したリッチ空燃比燃焼運転を行うことが可能となるため、排気浄化のためにリッチ空燃比排気を供給することが必要な排気浄化装置を使用する場合にも、大きな機関出力トルクの変動を伴うことなく、また機関減速運転中等に限定されることなく低負荷運転中にも排気浄化装置の排気浄化性能を高く維持することが可能となるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した内燃機関の概略構成の一例を示す図である。
【図２】空燃比の変化による燃焼状態の変化を説明する図である。
【図３】空燃比の変化による燃焼状態の変化を説明する図である。
【図４】空燃比の変化による筒内圧と熱発生率との変化を示す図である。
【図５】空燃比の変化による筒内圧と熱発生率との変化を示す図である。
【図６】排気空燃比の変化による吸気空燃比への影響を説明する図である。
【図７】市街地走行モードの一例を示す図である。
【符号の説明】
１…ディーゼル機関本体
２０…サージタンク
２３…ＥＧＲ弁
２７…スロットル弁
３０…ＥＣＵ
３３…ＥＧＲ通路
４１…ＮＯＸ吸蔵還元触媒
１１１…燃料噴射弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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