(57)【要約】【課題】  ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を具備するＮＯｘ浄化装置におけるＮ２Ｏの発生をできるだけ抑制する。【解決手段】  内部雰囲気の空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとするリッチ化制御が行われるとＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒２５を具備する。リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときには上記リッチ化制御の実行を禁止する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部雰囲気の空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとするリッチ化制御が行われるとＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を具備するＮＯｘ浄化装置において、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときには上記リッチ化制御の実行を禁止するリッチ化制御手段を具備することを特徴とするＮＯｘ浄化装置。
【請求項２】
上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときにＮＯｘ触媒の温度を上昇させる手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘ浄化装置。
【請求項３】
内部雰囲気の空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとするリッチ化制御が行われるとＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を具備するＮＯｘ浄化装置において、現時点で上記リッチ化制御が行われたとしたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が高く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いか或いは同ＮＯｘ浄化率が低く且つ同Ｎ２Ｏ生成率が低いと予想されるが、後に上記ＮＯｘ浄化率が低く且つ上記Ｎ２Ｏ生成率が高くなると予想されたときには、上記リッチ化制御の実行を許可し、一方、後に上記ＮＯｘ浄化率が高く且つ上記Ｎ２Ｏ生成率が低くなると予想されたときには、上記リッチ化制御の実行を禁止するリッチ化制御手段を具備することを特徴とするＮＯｘ浄化装置。
【請求項４】
上記リッチ化制御手段は、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が高く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が低いと予想されたときには、リッチ化制御の実行を許可することを特徴とする請求項１または３に記載のＮＯｘ浄化装置。
【請求項５】
上記リッチ化制御手段は、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときには、リッチ化制御の実行を禁止することを特徴とする請求項３に記載のＮＯｘ浄化装置。
【請求項６】
上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときにＮＯｘ触媒の温度を上昇させる手段を具備することを特徴とする請求項５に記載のＮＯｘ浄化装置。
【請求項７】
上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率と同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率とが同ＮＯｘ触媒の温度と同ＮＯｘ触媒に保持されているＮＯｘの量とをパラメータとして推定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のＮＯｘ浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するための手段（特許文献１では、参照符号１２５が付され、「窒素酸化物吸収剤」と表現されており、以下「ＮＯｘ吸収剤」という）を具備する排気浄化装置が開示されている。特許文献１によれば、ＮＯｘ吸収剤の温度が或る温度（特許文献１では、「再生許容温度」と表現されており、以下同様に「再生許容温度」という）以上であるときに、ＮＯｘ吸収剤の再生操作（特許文献１によれば、これは、内燃機関にリッチ燃焼を行わせるものとある）を行うと、ＮＯｘがＮＯｘ吸収剤から大気に放出されてしまうとある。
【０００３】
そして、特許文献１によれば、このことは、ＮＯｘ吸収剤の再生操作が開始されたときにはＮＯｘ吸収剤の温度が再生許容温度以下であったとしても、ＮＯｘ吸収剤の再生操作中にＮＯｘ吸収剤の温度が再生許容温度以上となってしまうと、ＮＯｘがＮＯｘ吸収剤から大気に放出されてしまうことを意味する。
【０００４】
そこで、特許文献１では、ＮＯｘ吸収剤の温度が再生許容温度以上となることが予想されたときには、ＮＯｘ吸収剤に吸収されているＮＯｘの量が或る量以上となっているときに限って、ＮＯｘ吸収剤の再生操作を行うようにしている。言い換えれば、ＮＯｘ吸収剤の温度が再生許容温度以上となることが予想された場合、ＮＯｘ吸収剤に吸収されているＮＯｘの量が少なければ、ＮＯｘ吸収剤の再生操作を行わないようにしている。
【０００５】
これによれば、ＮＯｘ吸収剤の再生操作中にＮＯｘ吸収剤の温度が再生許容温度以上となることが予想された場合（上述したように、これには、ＮＯｘ吸収剤に吸収されているＮＯｘの量が少ないという条件が付いている）には、ＮＯｘ吸収剤の再生操作が行われないので、ＮＯｘ吸収剤の再生操作中にＮＯｘがＮＯｘ吸収剤から大気に放出されてしまうことが回避される。すなわち、ＮＯｘ吸収剤の再生操作中のＮＯｘ吸収剤の温度の挙動を事前に予測することによって、ＮＯｘがＮＯｘ吸収剤から大気に放出されることが確実に回避されるのである。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第９７／１６６３２号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−５４４７０号公報
【特許文献３】特開平１１−１０７８１１号公報
【特許文献４】特開２０００−２４０４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を具備するＮＯｘ浄化装置が知られている。こうしたＮＯｘ浄化装置において、ＮＯｘの還元浄化に伴ってＮ２Ｏが発生することがある。Ｎ２ＯはＣＯ２と同様に温室効果を有するガスであることから、その発生をできるだけ抑制することが好ましい。そして、こうしたＮＯｘ浄化装置において、Ｎ２Ｏの発生をできるだけ抑制しようとした場合にも、ＮＯｘ触媒によってＮＯｘを還元浄化させたときのＮ２Ｏの生成率に係わるパラメータ値を事前に予測し、該予測されたパラメータ値に応じてＮＯｘ触媒によってＮＯｘを浄化させるか否かを決定することは、ＮＯｘ浄化装置におけるＮ２Ｏの発生をできるだけ抑制するという観点から好ましい。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を具備するＮＯｘ浄化装置におけるＮ２Ｏの発生をできるだけ抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、内部雰囲気の空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとするリッチ化制御が行われるとＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を具備するＮＯｘ浄化装置において、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときには上記リッチ化制御の実行を禁止するリッチ化制御手段を具備する。
２番目の発明では、１番目の発明において、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときにＮＯｘ触媒の温度を上昇させる手段を具備する。
上記課題を解決するために、３番目の発明では、内部雰囲気の空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとするリッチ化制御が行われるとＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を具備するＮＯｘ浄化装置において、現時点で上記リッチ化制御が行われたとしたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が高く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いか或いは同ＮＯｘ浄化率が低く且つ同Ｎ２Ｏ生成率が低いと予想されるが、後に上記ＮＯｘ浄化率が低く且つ上記Ｎ２Ｏ生成率が高くなると予想されたときには、上記リッチ化制御の実行を許可し、一方、後に上記ＮＯｘ浄化率が高く且つ上記Ｎ２Ｏ生成率が低くなると予想されたときには、上記リッチ化制御の実行を禁止するリッチ化制御手段を具備する。
４番目の発明では、１または３番目の発明において、上記リッチ化制御手段は、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が高く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が低いと予想されたときには、リッチ化制御の実行を許可する。
５番目の発明では、３番目の発明において、上記リッチ化制御手段は、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときには、リッチ化制御の実行を禁止する。
６番目の発明では、５番目の発明において、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が低く且つ同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率が高いと予想されたときにＮＯｘ触媒の温度を上昇させる手段を具備する。
７番目の発明では、１〜６番目の発明のいずれか１つにおいて、上記リッチ化制御が行われたときのＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率と同ＮＯｘ触媒にて生成されるＮ２Ｏの生成率とが同ＮＯｘ触媒の温度と同ＮＯｘ触媒に保持されているＮＯｘの量とをパラメータとして推定される。
【発明の効果】
【００１０】
一般的に、ＮＯｘの還元浄化に伴ってＮ２Ｏが生成されることがある。ここで、Ｎ２Ｏの生成率は低いことが好ましい。１番目の発明によれば、ＮＯｘ浄化率が低く且つＮ２Ｏ生成率が高いと予想されたときには、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化が行われない。したがって、これによれば、ＮＯｘ浄化装置におけるＮ２Ｏの発生が抑制されることになる。
また、３番目の発明によれば、現時点でＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化を行ったとした場合、ＮＯｘ浄化率は高いけれどもＮ２Ｏ生成率も高いと予想されるが、その後、ＮＯｘ浄化率が高いままでＮ２Ｏ生成率が低くなると予想されたとき、あるいは、Ｎ２Ｏ生成率は低いけれどもＮＯｘ浄化率も低いと予想されるが、その後、Ｎ２Ｏ生成率が低いままでＮＯｘ生成率が高くなると予想されたときには、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化が行われない。したがって、これによれば、ＮＯｘ浄化装置におけるＮ２Ｏの発生が抑制されることになる。
一方、３番目の発明によれば、現時点でＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化を行ったとした場合、ＮＯｘ浄化率は高いけれどもＮ２Ｏ生成率も高いと予想されるが、その後、Ｎ２Ｏ生成率が低くならないばかりかＮＯｘ浄化率が低くなってしまうと予想されたとき、あるいは、Ｎ２Ｏ生成率は低いけれどもＮＯｘ浄化率も低いと予想されるが、その後、ＮＯｘ浄化率が高くならないばかりかＮ２Ｏ生成率が高くなってしまうと予想されたときには、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化が行われる。したがって、これによれば、ＮＯｘ浄化装置におけるＮ２Ｏの発生が抑制されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、４ストローク圧縮着火式内燃機関を示している。図１において、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は電気制御式の燃料噴射弁、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している。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に連結されている。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ている。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に連結されている。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が配置されている。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が配置されている。
【００１２】
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ている。排気タービン２３の出口部は、排気管２４を介して、ＮＯｘを浄化する触媒（詳細は後述する）２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結されている。触媒コンバータ２６の上流側において排気マニホルド２２には、空燃比センサ（以下「上流側空燃比センサ」という）２７ａが配置されている。一方、触媒コンバータ２６の下流側において排気管２８には、空燃比センサ（以下「下流側空燃比センサ」という）２７ｂが配置される。また、排気管２４には、炭化水素（例えば、燃料噴射弁６から噴射される燃料と同じもの）を噴射して排気ガス中に炭化水素を添加するための炭化水素添加弁３７が取り付けられている。
【００１３】
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下流の空気吸込管１７とは、排気ガス再循環（以下「ＥＧＲ」という）通路２９を介して互いに連結されている。ＥＧＲ通路２９内には、ステップモータ３０によって駆動されるＥＧＲ制御弁３１が配置されている。また、ＥＧＲ通路２９内には、ＥＧＲ通路２９内を流れる排気ガス（以下「ＥＧＲガス」ともいう）を冷却するためのインタークーラ３２が配置されている。図１に示した例では、機関冷却水がインタークーラ３２内に導かれ、この機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１４】
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に連結されている。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る。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が取り付けられる。コモンレール３４内の燃料圧が目標燃料圧となるように、燃料圧センサ３６の出力信号に基づいて、燃料ポンプ３５の吐出量が制御される。
【００１５】
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に入力される。上流側空燃比センサ２７ａ、下流側空燃比センサ２７ｂ、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が接続される。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、燃料ポンプ３５、および、炭化水素添加弁３７に接続される。
【００１６】
次に、ＮＯｘ触媒２５について説明する。ＮＯｘ触媒２５は、例えば、アルミナを担体とし、この担体上に、アルカリ金属（例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ））、アルカリ土類（例えば、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ））、希土類（例えば、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ））から選ばれた少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とを担持して構成されている。
【００１７】
そして、ＮＯｘ触媒２５は、その内部の雰囲気の空燃比が理論空燃比よりもリーンであると、ＮＯｘを吸収して保持する。一方、ＮＯｘ触媒２５は、その内部の雰囲気の空燃比が理論空燃比であり或いは理論空燃比よりもリッチであると、保持しているＮＯｘを放出する。さらに、ＮＯｘ触媒２５は、同じく、その内部の雰囲気の空燃比が理論空燃比であり或いは理論空燃比よりもリッチであると、ＮＯｘ（これには、ＮＯｘ触媒２５から放出されるＮＯｘの他に、ＮＯｘ触媒２５に新たに到来するＮＯｘが含まれる）を還元浄化する。ここで、排気ガスの空燃比を、燃料噴射弁６から噴射された燃料の量（ＮＯｘ触媒２５よりも上流側において、燃焼室５から排出された排気ガス中に燃料を添加することができる場合には、この添加された燃料の量も含む）に対する、燃焼室５内に吸入された空気の量（ＮＯｘ触媒２５よりも上流側において、燃焼室５から排出された排気ガス中に空気を添加することができる場合には、この添加された空気の量も含む）の比と定義した場合、ＮＯｘ触媒２５内の雰囲気の空燃比とは、この排気ガスの空燃比に一致する。
【００１８】
したがって、ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである間は、ＮＯｘ触媒２５は、流入する排気ガス中のＮＯｘを吸収して保持する。そして、本実施形態では、内燃機関が通常の運転状態にあるときには、ＮＯｘ触媒２５に到来する排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリーンであるので、内燃機関が通常の運転状態にある限り、ＮＯｘ触媒２５は、排気ガス中のＮＯｘを吸収し保持し続ける。
【００１９】
ところが、ＮＯｘ触媒２５に吸収されているトータルのＮＯｘの量（以下「ＮＯｘ吸蔵量」という）が限界値（すなわち、ＮＯｘ触媒２５が最大に吸収可能なＮＯｘの量）を超えてしまうと、ＮＯｘ触媒２５は、もはや、ＮＯｘを吸収することができないので、この場合には、ＮＯｘ触媒２５下流へとＮＯｘが流出してしまうことになる。しかしながら、ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となり或いは理論空燃比よりもリッチとなると、ＮＯｘ触媒２５は、保持しているＮＯｘを放出すると共に、これら放出したＮＯｘおよびＮＯｘ触媒２５に新たに流入してくるＮＯｘを排気ガス中の燃料（すなわち、炭化水素）を還元剤として還元浄化する。したがって、ＮＯｘ吸蔵量が限界値を超える前に、ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとすれば、ＮＯｘ触媒２５に吸収され保持されているＮＯｘは、還元浄化されるのであるから、これによれば、ＮＯｘ触媒２５下流へのＮＯｘの流出が回避されることになる。
【００２０】
次に、ＮＯｘ触媒２５内に保持されているＮＯｘを還元浄化するための制御（以下「ＮＯｘ浄化制御」という）の本発明の実施の形態について説明する。上述したように、ＮＯｘ触媒２５が最大に吸収して保持できるＮＯｘの量には限界がある。そこで、本実施形態では、まず、ＮＯｘ吸蔵量が限界値（実際には、後述する理由から、限界値よりも小さい値であり、後述では、「判定値」と称している）を超えたことをもって、ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にし或いは理論空燃比よりもリッチとすべきであると判定する。ここで、ＮＯｘ吸蔵量は、燃焼室５にて生成されるＮＯｘの量を積算することによって算出可能であって、この燃焼室５にて生成されるＮＯｘの量は、機関回転数と要求負荷との関数の形で表すことができる。そこで、本実施形態では、燃焼室５にて生成されるＮＯｘの量（以下「ＮＯｘ生成量」という）を実験等によって求め、このＮＯｘ生成量Ａｎｏｘを機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとの関数でもって図２に示されているようなマップの形で予めＲＯＭ４２に記憶しておく。そして、機関運転中、所定の時期毎（例えば、各燃焼行程毎）に、機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとに基づいてマップからＮＯｘ生成量Ａｎｏｘが読み込まれ、これらＮＯｘ生成量Ａｎｏｘが積算されることによって、ＮＯｘ吸蔵量が算出される。
【００２１】
さらに、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にし或いは理論空燃比よりもリッチとすべきであると判定された場合、実際に、ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとする制御（以下「リッチ化制御」という）を実行してもよいか否か（リッチ化制御の実行の許否）を判定する。ここで、リッチ化制御を実行してもよいと判定されれば、リッチ化制御が実行される。一方、リッチ化制御を実行してはいけないと判定されれば、リッチ化制御は実行されず、リッチ化制御を実行してもよいと判定されるまで、リッチ化制御の実行は延期される。ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりリッチとするための具体的な方法としては、例えば、炭化水素添加弁３７から排気ガス中に所定量（これは、排気ガスの空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとすることができる量である）の炭化水素を噴射するという方法がある。
【００２２】
次に、リッチ化制御の実行の許否の判定方法について説明する。ＮＯｘ触媒２５によるＮＯｘの還元浄化効率（以下「ＮＯｘ浄化率」という）は、ＮＯｘ吸蔵量に依存し、図３に実線で示されているように、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが或る量Ａ１を超えるまでは、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘは高い値Ｒｎｏｘｈでほぼ一定であるが、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが或る量Ａ１を超えると、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが多くなるほどＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘは低下し、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが或る量Ａ２を超えると、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘは低い値Ｒｎｏｘｌでほぼ一定となる。ＮＯｘを効率よく十分に還元浄化するという観点では、ＮＯｘ浄化率に応じてリッチ化制御の実行の許否を判定することが好ましいので、本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵量に関係するＮＯｘ浄化率を、リッチ化制御の実行の許否を判定するための１つのパラメータとして採用している。
【００２３】
また、ＮＯｘ触媒２５によるＮＯｘの還元浄化に伴い、主に、Ｎ２が生成されるが、一定の割合でＮ２Ｏも生成されることがある。ここで、Ｎ２ＯはＣＯ２と同様に温室効果を有するガスであることから、Ｎ２Ｏの生成率は小さいほど好ましい（別の見方をすれば、Ｎ２の生成率が高いほど好ましい）。ここで、Ｎ２Ｏ生成率は、ＮＯｘ触媒２５の温度（以下「触媒温度」という）に依存し、図４に実線で示されているように、触媒温度Ｔが或る温度Ｔ１を超えるまでは、Ｎ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏは高い値Ｒｎ２ｏｈでほぼ一定であるが、触媒温度Ｔが或る温度Ｔ１を超えると、触媒温度Ｔが高くなるほどＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏは低下し、触媒温度Ｔが或る温度Ｔ２を超えると、Ｎ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏは低い値Ｒｎ２ｏｌでほぼ一定となる。Ｎ２Ｏ生成率を低いレベルに維持するという観点では、Ｎ２Ｏ生成率に応じてリッチ化制御の実行の許否を判定することが好ましいので、本実施形態では、さらに、触媒温度に関係するＮ２Ｏ生成率を、リッチ化制御の実行の許否を判定するための１つのパラメータとして採用している。
【００２４】
まとめると、本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵量に関係するＮＯｘ浄化率と、触媒温度に関係するＮ２Ｏ生成率とを、リッチ化制御の実行の許否を判定するためのパラメータとして採用している。具体的には、図５に示されているように、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘに関して、第１の下限値Ｒｍｉｎ１と第２の下限値Ｒｍｉｎ２とを設定する。一方、図６に示されているように、Ｎ２Ｏ生成率に関して第１の上限値Ｒｍａｘ１と第２の上限値Ｒｍａｘ２とを設定する。
【００２５】
そして、図５において、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘが第１の下限値Ｒｍｉｎ１よりも高い領域を「Ｘ１」で表し、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘが第１の下限値Ｒｍｉｎ１よりも低く且つ第２の下限値Ｒｍｉｎ２よりも高い領域を「Ｘ２」で表し、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘが第２の下限値Ｒｍｉｎ２よりも低い領域を「Ｘ３」で表す。さらに、図６において、Ｎ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏが第１の上限値Ｒｍａｘ１より低い領域を「Ｙ１」で表し、Ｎ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏが第１の上限値Ｒｍａｘ１よりも高く且つ第２の上限値Ｒｍａｘ２よりも低い領域を「Ｙ２」で表し、Ｎ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏが第２の上限値Ｒｍａｘ２よりも高い領域を「Ｙ３」で表す。
【００２６】
そして、本実施形態では、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘが領域Ｘ１にあって且つＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏが領域Ｙ１にあるときには、リッチ化制御の実行を許可する。したがって、この場合、ＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比とされ或いは理論空燃比よりもリッチとされるので、ＮＯｘ触媒２５においてＮＯｘが高い浄化率で還元浄化されると共に、このＮＯｘの還元浄化に伴うＮ２Ｏ生成率が低く抑えられる。
【００２７】
一方、本実施形態では、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘが領域Ｘ３にあって且つＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏが領域Ｙ３にあるときには、リッチ化制御の実行を禁止する。したがって、この場合、ＮＯｘ触媒２５においてＮＯｘの還元浄化は行われず、Ｎ２Ｏも生成されない。
【００２８】
一方、本実施形態では、ＮＯｘ浄化率ＲｎｏｘもＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏも上述した条件を満たしていない場合には、以下のようにして、リッチ化制御の実行の許否を決定する。すなわち、ＮＯｘ浄化率とＮ２Ｏ生成率とを合わせて考慮した場合に、比較的近い将来（これは、ＮＯｘ吸蔵量がその限界値を超えない範囲で定められる時間内）に、ＮＯｘ浄化率が現在のＮＯｘ浄化率よりも高くなり且つＮ２Ｏ生成率が現在のＮ２Ｏ生成率よりも低くなると予想される場合には、リッチ化制御の実行を禁止する。そして、ＮＯｘ浄化率が現在よりも高くなり且つＮ２Ｏ生成率が現在よりも低くなったときに、リッチ化制御の実行を許可する。これによれば、ＮＯｘ浄化率が高くなり且つＮ２Ｏ生成率が低くなったときにリッチ化制御が実行されるのであるから、全体として、ＮＯｘ浄化率を高く維持し且つＮ２Ｏ生成率を低く維持するという観点から好ましい。
【００２９】
一方、比較的近い将来に、ＮＯｘ浄化率が現在よりも低くなり且つＮ２Ｏ生成率が現在よりも高くなると予測される場合には、リッチ化制御の実行を許可する。これによれば、ＮＯｘ浄化率が低くなり且つＮ２Ｏ生成率が高くなる前にリッチ化制御が実行されるのであるから、全体として、ＮＯｘ浄化率を高く維持し且つＮ２Ｏ生成率を低く維持するという観点から好ましい。
【００３０】
以上説明したリッチ化制御の実行の許否について、図７を参照して説明する。図７において、縦の欄Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は図５を参照して定義した各領域（以下「ＮＯｘ浄化率領域」ともいう）Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３に相当し、横の欄Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３は図６を参照して定義した各領域（以下「Ｎ２Ｏ生成率領域」という）Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に相当する。また、図７において、Ａ〜Ｉは、領域Ｘ１〜Ｘ３と領域Ｙ１〜Ｙ３との組み合わせて決まる全体的な浄化性能の状態（以下「性能状態」という）を夫々示している。また、図７において、矢印は、性能状態が変化する方向を示している。また、図７において、矢印の始点側に図示した記号○は、性能状態が近い将来に矢印に従って変化すると予想されたときにリッチ化制御の実行を許可することを意味し、同記号×は、性能状態が近い将来に矢印に従って変化すると予想されたときにリッチ化制御の実行を禁止すること（すなわち、リッチ化制御の実行を延期すること）を意味する。
【００３１】
例えば、図７において、現在の性能状態が状態Ｅにあるときに、性能状態が近い将来に状態Ｄに移行すると予想された場合には、リッチ化制御の実行が禁止される。すなわち、近い将来に、性能状態がより悪い状態Ｅからより良い状態Ｄに移行すると予想された場合には、リッチ化制御の実行が禁止される。そして、性能状態が状態Ｅから状態Ｄに移行した後において、性能状態が近い将来に状態Ｄから状態Ｇ（または、状態Ｅ）に移行すると予想された場合には、リッチ化制御の実行が許可される。もっとも、図７を参照すれば判るように、性能状態が状態Ｄとなった後においては、性能状態は状態Ａに移行することはなく（すなわち、性能状態がより良い状態に移行することはなく）、状態Ｇか状態Ｅにしか移行しえない（すなわち、性能状態はより悪い状態にしか移動することはない）。なぜならば、リッチ化制御が実行されない限り、ＮＯｘ吸蔵量は増大し、ＮＯｘ浄化率領域は、領域Ｘ１から領域Ｘ３に向かう方向にしか移行しないからである。したがって、性能状態が状態Ｅから状態Ｄに移行すると同時に、リッチ化制御の実行を許可するようにしてもよい。いずれにしても、これによれば、より良い性能状態でリッチ化制御が実行されることになる。
【００３２】
一方、現在の性能状態が状態Ｅにあるときに、性能状態が近い将来に状態Ｆ（または、状態Ｈ）に移行すると予想された場合には、リッチ化制御の実行が許可される。すなわち、近い将来に、性能状態がより良い状態Ｅから悪い状態Ｆ（または、状態Ｈ）に移行すると予想された場合には、リッチ化制御の実行が許可される。この場合、性能状態が状態Ｅにある間にリッチ化制御が実行されることになる。これによれば、より良い性能状態でリッチ化制御が実行されることになる。
【００３３】
なお、図７において、領域Ｇから領域Ｄへ向かう矢印、領域Ｄから領域Ａへ向かう矢印、領域Ｈから領域Ｅへ向かう矢印、領域Ｅから領域Ｂへ向かう矢印、領域Ｉから領域Ｆへ向かう矢印、および、領域Ｆから領域Ｃへ向かう矢印がないのは、上述したように、リッチ化制御が実行されない限り、ＮＯｘ吸蔵量は増大し、ＮＯｘ浄化率領域は、Ｘ１からＸ３に向かう方向にしか移行しないからである。また、図７において、領域Ａから領域Ｄへ向かう矢印、および、領域Ａから領域Ｂへ向かう矢印がないのは、性能状態が領域Ａにあるときには、リッチ化制御が許可され、したがって、リッチ化制御が実行されるからである（すなわち、性能状態が状態Ａにあるときには、近い将来に性能状態がどの状態に移行するか判定されない）。
【００３４】
次に、以上説明した制御について、図８を参照して説明する。図８において、横軸ｔは時刻を示し、縦軸ＡｎｏｘｔはＮＯｘ吸蔵量を示し、Ｅ、Ｂ、Ａは、図７を参照して定義した性能状態を示している。図８に示した例では、性能状態が状態Ｅにあるときに、時刻ｔ１において、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが判定値α（これは、リッチ化制御を実行すべきであると判定されるＮＯｘ吸蔵量の値であって、ＮＯｘ触媒２５が最大に吸蔵できるＮＯｘの量よりも小さい値である）に達する。ここで、リッチ化制御の実行の許否が判定される。図８に示した例では、近い将来、性能状態は状態Ｂへ移行すると予想される。したがって、図７を参照すれば判るように、この場合、リッチ化制御の実行が許可されるので、リッチ化制御が行われる。これによれば、ＮＯｘ触媒２５にてＮＯｘが還元浄化される。したがって、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが一気に低下し、性能状態が状態Ｅから状態Ｂに移行する。
【００３５】
さらに、性能状態が状態Ｂにあるときに、時刻ｔ２において、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが判定値αに達する。ここで、リッチ化制御の実行の許否が判定される。図８に示した例では、近い将来、性能状態は状態Ａに移行すると予想される。したがって、図７を参照すれば判るように、この場合、リッチ化制御の実行が禁止されるので、リッチ化制御は行われない。このため、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔは徐々に増大する。そして、時刻ｔ３において、性能状態が状態Ａに移行すると同時に、リッチ化制御の実行が許可され、リッチ化制御が行われる。これによれば、ＮＯｘ触媒２５にてＮＯｘが還元浄化されるので、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが一気に低下する。
【００３６】
なお、以上の説明から判るように、リッチ化制御の実行が許可される前（すなわち、リッチ化制御の実行が延期されている間）に、ＮＯｘ吸蔵量がその限界値（これは、ＮＯｘ触媒２５が最大に吸蔵可能なＮＯｘの量である）に達してしまうこともある。この場合においてもなお、リッチ化制御の実行を禁止している（すなわち、延期している）と、ＮＯｘ触媒２５がもはやＮＯｘを吸蔵できなくなり、ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘが流出してしまうことになる。したがって、上述した実施形態では、リッチ化制御の実行が許可される前に、ＮＯｘ吸蔵量がその限界値に達したときには、性能状態の如何に係わらず、リッチ化制御の実行を許可し、リッチ化制御が行われるようにする。これによれば、ＮＯｘ触媒２５からのＮＯｘの流出が抑制される。
【００３７】
また、図８に示した例では、判定値αは、ＮＯｘ触媒２５の温度（触媒温度）に係わらず一定である。しかしながら、上述したように、Ｎ２Ｏ生成率は触媒温度が高いほど低くなる傾向にあるので、触媒温度が高いほど、判定値αを大きくしても（すなわち、ＮＯｘ吸蔵量が多くなっても）、Ｎ２Ｏ生成率は低く抑えられることになる。したがって、上述した実施形態において、触媒温度に応じて判定値αを決定するようにしてもよい。具体的には、触媒温度が高くなるほど判定値αを大きくし、逆に、触媒温度が低くなるほど判定値αを小さくするようにしてもよい。
【００３８】
また、図８に示した例では、近い将来、性能状態が如何なる状態に移行するかに係わらず一定である。しかしながら、上述した実施形態において、近い将来、性能状態が如何なる状態に移行するかに応じて判定値αを決定し、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが判定値αに達したときに、リッチ化制御の実行を許可するようにしてもよい。具体的には、近い将来、性能状態がより良い状態に移行すると予測された場合には、性能状態がより良い状態に移行するまでリッチ化制御の実行が延期されるように判定値αを大きくし、逆に、近い将来、性能状態がより悪い状態に移行すると予測された場合には、性能状態がより悪い状態に移行する前にリッチ化制御の実行が行われるように判定値αを小さくするようにしてもよい。これによれば、図８に示した例において、性能状態が状態Ｂにあるときには、近い将来、性能状態がより良い状態Ａに移行すると予測されるので、判定値αは大きくされ、結果的に、性能状態がより良い状態Ａに移行するまで、リッチ化制御の実行が延期されることになる。
【００３９】
また、性能状態がいずれの状態に移行するかを予想する方法としては、様々なものが考えられるが、１つ例を挙げると、以下の通りである。上述したように、性能状態は、ＮＯｘ浄化率領域Ｘ１〜Ｘ３とＮ２Ｏ生成率領域Ｙ１〜Ｙ３とから決まる状態である。したがって、近い将来のＮＯｘ浄化率とＮ２Ｏ生成率が判れば、近い将来の性能状態が判ることになる。ここで、ＮＯｘ浄化率はＮＯｘ吸蔵量に依存し、Ｎ２Ｏ生成率は触媒温度に依存する。したがって、近い将来のＮＯｘ吸蔵量と触媒温度が判れば、近い将来の性能状態が判ることになる。ここで、ＮＯｘ吸蔵量は機関回転数と要求負荷に依存し、触媒温度も機関回転数と要求負荷に依存する。したがって、結局のところ、近い将来の機関回転数と要求負荷が判れば、近い将来の性能状態が判ることになる。
【００４０】
ここで、内燃機関は、通常、車両を走行させるために利用されることから、機関回転数や要求負荷は車両が走行する道路状況に依存することになる。すなわち、一般的な傾向としては、車両が一般道を走行しているときよりも高速道を走行しているときのほうが機関回転数や要求負荷は高いと言えるし、車両が下り坂を走行しているときよりも上り坂を走行しているときのほうが機関回転数や要求負荷は高いと言える。ここで、最近、地図情報を提供するいわゆるナビゲーションシステムが車両にて利用されるようになっている。このナビゲーションシステムから提供される地図情報には、当然のことながら、道路情報も含まれている。したがって、この道路情報を利用すれば、現在の車両の走行位置からこの後に車両が走行する道路状況が如何なるものであるかを知ることができる。そして、斯くして知ることができた道路状況に基づいて、近い将来の機関回転数および要求負荷を予想すれば、この予想された機関回転数および要求負荷に基づいてＮＯｘ浄化率およびＮ２Ｏ生成率を知ることができ、結果として、近い将来、性能状態が如何なる状態となるかを予想することができる。すなわち、本実施形態において、性能状態移行予想方法として、ナビゲーションシステムから得られる今後の道路状況に関する情報に基づく方法を利用可能である。
【００４１】
また、近い将来の機関回転数や要求負荷は、車両を運転する人の運転パターンからも予想可能である。すなわち、通常、一台の車両の運転手は同一人であることが多く、各運転手の運転の仕方は各人ごとに或る傾向がある。したがって、車両の運転パターン（すなわち、機関回転数や要求負荷の変化パターン）を履歴として記憶しておき、この履歴に基づいて近い将来の機関回転数および要求負荷を予想し、この予想された機関回転数および要求負荷に基づいてＮＯｘ浄化率およびＮ２Ｏ生成率を知ることができ、結果として、近い将来、性能状態が如何なる状態となるかを予想することができる。すなわち、本実施形態において、性能状態移行予想方法として、運転履歴から得られる今後の機関回転数および要求負荷に関する情報に基づく方法も利用可能である。
【００４２】
ところで、ＮＯｘ浄化率は、図９に示したように、ＮＯｘ触媒２５自身の温度（触媒温度）が或る温度にあるときにピークとなる。すなわち、ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ浄化率がピークとなる温度（以下「最適温度」という）Ｔｍを境に、触媒温度が低くなるほどＮＯｘ浄化率は低下し、触媒温度が高くなるほどＮＯｘ浄化率は低下する。したがって、触媒温度を考慮して、図５と同じＮＯｘ吸蔵量ＡｎｏｘｔとＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘとの関係を図に示すと、図１０に示したようになる。すなわち、図１０では、符号Ｔｍを付した実線が触媒温度が最適温度にあるときのＮＯｘ吸蔵量ＡｎｏｘｔとＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘとの関係を示しており、符号Ｔ１を付した実線が触媒温度が最適温度よりも低い温度にあるときのＮＯｘ吸蔵量ＡｎｏｘｔとＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘとの関係を示しているのであるが、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘは、触媒温度が最適温度Ｔｍよりも低い温度Ｔ１であるときには触媒温度が最適温度Ｔｍであるときよりも全体として小さい。したがって、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘｔが、例えば、図示した値Ａ３である場合において、触媒温度が温度Ｔｍであるときには、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘは領域Ｘ１にあるのに対し、ＮＯｘ吸蔵量Ａｎｏｘが同じ値Ａ３である場合において、触媒温度が温度Ｔ１であるときには、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘは領域Ｘ２にある。
【００４３】
そこで、上述した実施形態において、触媒温度を考慮して、ＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘがいずれの領域Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３にあるのかを判定するようにしてもよい。この場合、全体的なＮＯｘ浄化性能をより高く維持することができるという利点がある。
【００４４】
また、Ｎ２Ｏ生成率は、リッチ化制御においてＮＯｘ触媒２５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとする方法（以下「リッチ化方法」という）によって変わる。例えば、リッチ化方法としては、燃焼室５から排出された排気ガス中に所定量（これは、排気ガスの空燃比を理論空燃比とし或いは理論空燃比よりもリッチとすることができる量）の炭化水素（例えば、燃料噴射弁６から噴射される燃料と同じもの）を噴射する方法（これは、上述した実施形態でも採用されている方法であって、以下「燃料添加方法」という）と、内燃機関に後述する低温燃焼以外の燃焼を行わせている場合に内燃機関の燃焼行程（これは、膨張行程とも呼ばれる）の後期に燃料噴射弁６から所定量（これも、上述した所定量と同じく定義される量）の燃料を噴射する方法（以下「ポスト燃料噴射方法」という）と、内燃機関に後述する低温燃焼を行わせているときに内燃機関の燃焼行程の後期に燃料噴射弁６から所定量（これも、上述した所定量と同じく定義される量）の燃料を噴射する方法（以下「低温燃焼噴射方法」という）とがある。
【００４５】
ここで、こうしたリッチ化方法を考慮して、図６と同じ触媒温度ＴとＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏとの関係を図に示すと、図１１に示したようになる。すなわち、図１１では、符号Ｒｉｃｈ１を付した実線が上記燃料添加方法が行われたときの触媒温度ＴとＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏとを示し、符号Ｒｉｃｈ２を付した実線が上記ポスト燃料噴射方法が行われたときの触媒温度ＴとＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏとを示し、符号Ｒｉｃｈ３を付した実線が上記低温燃焼噴射方法が行われたときの触媒温度ＴとＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏとの関係を示しているのであるが、Ｎ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏは、低温燃焼噴射方法が行われたときよりもポスト燃料噴射方法が行われたときのほうが全体として高く、ポスト燃料噴射方法が行われたときよりも燃料添加方法が行われたときのほうが全体として高い。
【００４６】
そして、いずれのリッチ化方法が実行されるか、言い換えれば、いずれのリッチ化方法を実行可能であるかは、内燃機関の運転状態に応じて決まる。すなわち、内燃機関の性能を高く維持するという観点から、内燃機関の運転状態に応じて、いずれのリッチ化方法を実行すべきかが決まる。本発明の実施の形態においても、こうした観点から、いずれのリッチ化方法を実行すべきかを決定していることから、上述した実施形態において、リッチ化方法に応じて、Ｎ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏがいずれの領域Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３にあるのかを判定するようにしてもよい。この場合、全体として、ＮＯｘ浄化率をより高く且つＮ２Ｏ生成率をより低くすることができるという利点がある。
【００４７】
最後に、上述した低温燃焼について説明する。図１２は、機関低負荷運転時（すなわち、内燃機関が機関回転数が比較的小さく且つ要求負荷が比較的小さい状態で運転せしめられているとき）に、スロットル弁２０の開度（以下「スロットル開度」という）、および、ＥＧＲ率（すなわち、燃焼室５内に吸入される総ガス量に対するＥＧＲガスの量の割合）を変化させることによって、空燃比Ａ／Ｆ（図１２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。図１２から判るように、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。
【００４８】
図１２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、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、さらに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、さらに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。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の発生量がかなり低くなる。一方、このとき、ＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００４９】
図１３（Ａ）は、空燃比Ａ／Ｆが２１付近でスモークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。一方、図１３（Ｂ）は、空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）とを比較すれば判るように、スモークの発生量がほぼ零である図１３（Ｂ）に示した場合は、スモークの発生量が多い図１３（Ａ）に示した場合に比べて燃焼圧が低いことが判る。
【００５０】
図１２および図１３に示した実験結果から、次のことが言える。すなわち、まず第一に、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１２に示したように、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いる。したがって、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。同じことが図１３からも言える。すなわち、煤がほとんど発生していない図１３（Ｂ）に示した状態では、燃焼圧が低くなっており、したがって、このとき、燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００５１】
第２にスモークの発生量（すなわち、煤の発生量）がほぼ零になると、図１２に示したように、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。すなわち、燃料中に含まれる図１４に示したような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が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、図１４に示したような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。したがって、上述したように、煤の発生量がほぼ零になると、図１２に示したように、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（または、その前の状態の炭化水素）である。
【００５２】
図１２および図１３に示した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（または、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、さら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（すなわち、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。
【００５３】
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（すなわち、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、したがって、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。すなわち、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（または、それ以下）になったときに、煤がほとんど発生しなくなる。したがって、上述の或る温度は、ＮＯｘの発生量が１０p.p.m. 前後（または、それ以下）になったときの温度にほぼ一致する。
【００５４】
いったん煤が生成されると、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（または、その前の状態の炭化水素）は、酸化機能を有する触媒（ＮＯｘ触媒２５も酸化機能を有する）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（または、その前の状態）で燃焼室５から排出させるか、あるいは、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（または、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。
【００５５】
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（以下「煤の生成温度」という）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。
【００５６】
すなわち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸発した燃料は直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。すなわち、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、燃焼温度が局所的に極めて高くなるので、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。
【００５７】
一方、多量の不活性ガスと少量の空気と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、燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるので、燃焼温度はさほど上昇しなくなる。すなわち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。すなわち、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。
【００５８】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を煤の生成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。したがって、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、したがって、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。
【００５９】
図１５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。すなわち、図１５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。
【００６０】
図１５の曲線Ａで示したように、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。一方、図１５の曲線Ｂで示したように、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。また、図１５の曲線Ｃで示したように、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。
【００６１】
なお、図１５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。
【００６２】
図１６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の生成温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気との混合ガスの量、および、この混合ガス中の空気の量の割合、および、この混合ガス中のＥＧＲガスの量の割合を示している。なお、図１６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おり、横軸は、要求負荷を示している。
【００６３】
図１６において、空気の割合（すなわち、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。すなわち、図１６に示した場合では、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１６において、ＥＧＲガスの割合（すなわち、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１６に示した例では、７０パーセント以上である。すなわち、燃焼室５内に吸入された全吸入ガス量（図１６において、実線Ｘで示されている）のうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図１６に示したような割合にすると、燃料およびその周囲のガス温度は、煤の生成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（または、それ以下）であり、したがって、ＮＯｘの発生量は極めて少量となる。
【００６４】
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の生成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。したがって、図１６に示したように、ＥＧＲガス量は、噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめられなければならない。すなわち、ＥＧＲガス量は、要求負荷が高くなるにつれて増大せしめられる必要がある。
【００６５】
ところで、過給が行われていない場合、燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量（図１６の実線Ｘ）の上限はＹである。したがって、図１６において、要求負荷がＬｏ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ガスの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、過給が行われていない場合に、要求負荷がＬｏ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Ｌｏ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の生成温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【００６６】
ところが、図１に示したように、ＥＧＲ通路２９を介して過給機の入口側（すなわち、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Ｌｏ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の生成温度よりも低い温度に維持することができる。すなわち、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によって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によって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の生成温度よりも低い温度に維持することができる。したがって、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Ｌｏ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、ＥＧＲ制御弁３１が全開とされ、スロットル弁２０が若干閉弁せしめられる。
【００６７】
上述したように、図１６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１６に示した空気量よりも少なくしても（すなわち、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（または、それ以下）にすることができ、また、空気量を図１６に示した空気量よりも多くしても（すなわち、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（または、それ以下）にすることができる。すなわち、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ので、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（あるいは、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、煤は全く生成されず、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００６８】
このように、低温燃焼が行われているときには、空燃比に係わらず、すなわち、空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、平均空燃比がリーンであろうと、煤が発生されず、且つ、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。したがって、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。
【００６９】
そして、上述から判るように、低温燃焼が行われているときには、燃料室内のＥＧＲガス量が多く、したがって、燃料室内の空気の量が少ないのであるから、上述した低温燃焼噴射方法を採用してリッチ化制御を行う場合、比較的容易に（すなわち、多量の煤が発生することもなく、多量のＮＯｘが発生することもなく、単に、燃料噴射量を比較的少ない量だけ増量することにより）空燃比をリッチとすることができるのである。
【００７０】
因みに、低温燃焼を行うと、燃料およびその周囲のガス温度は低くなるが、排気ガスの温度は上昇する。このことについて図１７を参照して説明する。図１７（Ａ）の実線は、低温燃焼が行われたときの燃焼室内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示し、図１７（Ａ）の破線は、通常の燃焼が行われたときの燃焼室内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示す。また、図１７（Ｂ）の実線は、低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆとクランク角との関係を示し、図１７（Ｂ）の破線は、通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆとクランク角との関係を示す。
【００７１】
低温燃焼が行われているときには、通常の燃焼が行われているときに比べてＥＧＲガス量が多く、したがって、図１７（Ａ）に示したように圧縮上死点前、すなわち、圧縮行程中は実線で示した低温燃焼時における平均ガス温度Ｔｇのほうが破線で示した通常の燃焼時における平均ガス温度Ｔｇよりも高くなっている。なお、このとき図１７（Ｂ）に示したように燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは平均ガス温度Ｔｇと略等しい温度になっている。
【００７２】
次いで、圧縮上死点付近において燃焼が開始されるが、この場合、低温燃焼が行われているときには、図１７（Ｂ）の実線で示したように、燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には、燃料周りに多量の酸素が存在するために、図１７（Ｂ）の破線で示したように、燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には、燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが、大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合のほうが低くなっており、したがって、図１７（Ａ）に示したように、圧縮上死点付近における燃焼室内の平均ガス温度Ｔｇは低温燃焼が行われている場合のほうが通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図１７（Ａ）に示したように、燃焼が完了した後の燃焼室内の平均ガス温度は、低温燃焼が行われた場合のほうが通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして、低温燃焼を行うと排気ガスの温度が高くなるのである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明が適用される内燃機関の全体図である。
【図２】機関回転数Ｎと要求負荷ＬとからＮＯｘ生成量Ａｎｏｘを算出するためのマップを示す図である。
【図３】ＮＯｘ吸蔵量ＡｎｏｘｔとＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘとの関係を示す図である。
【図４】触媒温度ＴとＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏとの関係を示す図である。
【図５】ＮＯｘ吸蔵量ＡｎｏｘｔとＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘとの関係を示す図であって、ここでは、第１の下限値Ｒｍｉｎ１と第２の下限値Ｒｍｉｎ２とによって、３つの領域Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３が形成されている。
【図６】触媒温度ＴとＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏとの関係を示す図であって、ここでは、第１の上限値Ｒｍａｘ１と第２の上限値Ｒｍａｘ２とによって、３つの領域Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３が形成されている。
【図７】リッチ化制御の実行の許否について説明するための図である。
【図８】本発明に従ったリッチ化制御の一例を示す図である。
【図９】触媒温度ＴとＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘとの関係を示す図である。
【図１０】図５と同様の図であり、ＮＯｘ吸蔵量ＡｎｏｘｔとＮＯｘ浄化率Ｒｎｏｘとの関係を示す図である。
【図１１】図６と同様の図であり、触媒温度ＴとＮ２Ｏ生成率Ｒｎ２ｏとの関係を示す図である。
【図１２】空燃比Ａ／Ｆとスロットル開度等との関係を示す図である。
【図１３】燃焼圧の変化を示す図であって、（Ａ）は空燃比が２１付近にあるときの燃焼圧の変化を示し、（Ｂ）は空燃比が１８付近にあるときの燃焼圧の変化を示している。
【図１４】炭化水素の組成を示す図である。
【図１５】ＥＧＲ率とスモークの発生量との関係を示す図である。
【図１６】要求負荷と全吸入ガス量との関係を示す図である。
【図１７】（Ａ）は低温燃焼が行われたときと通常の燃焼が行われたときのクランク角と燃料室内における平均ガス温度Ｔｇとの関係を示し、（Ｂ）は低温燃焼が行われたときと通常の燃焼が行われたときのクランク角と燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆとの関係を示している。
【符号の説明】
【００７４】
１…機関本体
４…ピストン
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
７…吸気弁
９…排気弁
２５…ＮＯｘ触媒
３７…炭化水素添加弁
【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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【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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