JP3358554B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【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ＮＯ_x 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、Ｅ
ＧＲ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ＮＯ_x の発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大す
ればするほどＮＯ_x 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
ＮＯ_x 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Ｅ
ＧＲ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３
０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ＥＧ
Ｒ率はこの最大許容限界を越えない範囲内においてＮＯ
_x 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ＮＯ_x 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ＮＯ_x 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Ｎ
Ｏ_x 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Ｎ
Ｏ_x 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ＮＯ
_x 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。この新たな燃焼システムを採用した内燃
機関については本出願人により既に出願されている（特
願平９−３０５８５０号）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところでこの新たな燃
焼では安定した燃焼の得られる燃料噴射時期が比較的狭
いクランク角範囲内に限られている。即ち、燃料噴射時
期を早くすると噴射燃料は長時間に亘って圧縮高温ガス
により加熱されるために燃焼時に燃料およびその周囲の
ガス温は高くなり、その結果炭化水素が煤まで成長して
しまうのでスモークが発生することになる。これに対し
て燃料噴射時期を遅くすると噴射燃料の温度があまり上
昇しないために大部分の燃料は燃焼せず、斯くして失火
を生ずることになる。

【００１０】即ち、この新たな燃焼では燃料噴射時期に
対してスモークが発生せずかつ失火を生じない安定した
燃焼の得られる最適なクランク角範囲が存在し、従って
この新たな燃焼を行う場合にはこの最適なクランク角範
囲において燃料噴射を行う必要がある。しかしながらこ
の安定した燃焼の得られる最適なクランク角範囲は、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
に影響を与える機関の運転パラメータの値、例えば空燃
比や、ＥＧＲ率や、吸入空気温や、ＥＧＲガス温や、機
関の冷却水温や、吸入空気中の湿度等により変化する。

【００１１】例えば、吸入空気温が高くなればなるほど
燃焼室内のガス温は高くなり、その結果噴射燃料の温度
も高くなる。この場合、スモークが発生しないようにす
るためには吸入空気温が高くなるほど燃焼室内のガスに
よる噴射燃料の加熱時間を短かくする必要があり、その
ためには吸入空気温が高くなるほど燃料噴射時期を遅く
する必要がある。

【００１２】これに対して、吸入空気温が低くなればな
るほど燃焼室内のガス温は低くなり、その結果噴射燃料
の温度も低くなる。この場合、失火が生じないようにす
るためには吸入空気温が低くなるほど燃焼室内のガスに
よる噴射燃料の加熱時間を長くする必要があり、そのた
めには吸入空気温が低くなるほど燃料噴射時期を早くす
る必要がある。

【００１３】このように燃料噴射に対し最適なクランク
角範囲は、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周
囲のガス温度に影響を与える機関の運転パラメータの値
によって変化する。この場合、機関の運転パラメータの
値の変化が激しいと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変化しても検出遅れ等によって
その変化に追従させて噴射時期を変化させることができ
ず、斯くして噴射時期が最適なクランク角範囲からずれ
てしまうためにスモークが発生するが、或いは失火が発
生することになる。

【００１４】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に影響を与える機関の運転パメ
ラータのうちで吸入空気温や、機関の冷却水温や、吸入
空気の湿度は急変することがなく、従ってこれらのパラ
メータが変化してもその変化に追従させて噴射時期を最
適なクランク角範囲内に制御することができる。また、
新たな燃焼が行われているときには運転状態が変化して
も空燃比やＥＧＲ率はさほど変化せず、従ってこれらの
パラメータが変化してもその変化に追従させて噴射時期
を最適なクランク角範囲内に制御することができる。

【００１５】ところが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に影響を与える機関の運転パラ
メータのうちでＥＧＲガス温は機関の運転状態が変化す
ると激しく変化する。従ってＥＧＲガス温が変化したと
きにＥＧＲガス温の変化に応じて噴射時期を制御しても
ＥＧＲガス温の変化に追従させて噴射時期を変化させる
ことができず、斯くして噴射時期が最適なクランク角範
囲からずれてしまうためにスモークが発生するか、或い
は失火が発生するという問題を生ずる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに１番目の発明では、機関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ための排気ガス再循環装
置を具備し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を
増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達
し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を更に増大
していくと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
ど発生しなくなる内燃機関において、煤の発生量がピー
クとなる再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される
再循環排気ガス量を多くし、機関排気通路と機関吸気通
路とを連結する排気ガス再循環通路内に冷却装置を配置
すると共にこの冷却装置に対し、冷却装置から流出した
再循環排気ガスの温度をほぼ予め定められた設定温度に
維持するのに必要な冷却能力を持たせ、冷却装置から流
出した再循環排気ガスの温度が設定温度のときに最適と
なる噴射時期が予め記憶されており、記憶されている噴
射時期に基づいて噴射時期を定めるようにしている。

【００１７】即ち、排気ガス温が激しく変動しても燃焼
室内に再循環せしめられる再循環排気ガス温は設定温度
に維持され、再循環排気ガスの温度が設定温度のときに
最適となる噴射時期が予め記憶されており、この記憶さ
れている噴射時期に基づいて噴射時期が定められる。従
って排気ガス温が激しく変動しても噴射時期は常時最適
な噴射時期となる。

【００１８】２番目の発明では１番目の発明において、
機関冷却水が冷却装置に導びかれ、機関冷却水により再
循環排気ガスが冷却される。３番目の発明では２番目の
発明において、機関本体内の冷却水温がほぼ一定に維持
されており、設定温度がほぼ一定に維持されている機関
本体内の冷却水温とほぼ等しい。

【００１９】４番目の発明では１番目の発明において、
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
度に影響を与える機関の運転パラメータの値を検出する
検出手段を具備し、噴射時期を運転パラメータの値に基
づいてスモークの発生する噴射時期と失火が生ずる噴射
時期との間に制御するようにしている。５番目の発明で
は４番目の発明において、運転パラメータが空燃比であ
り、空燃比が大きくなるほど噴射時期を遅らすようにし
ている。

【００２０】６番目の発明では４番目の発明において、
運転パラメータが排気ガス再循環率であり、排気ガス再
循環率が高くなるほど噴射時期を早くするようにしてい
る。７番目の発明では４番目の発明において、運転パラ
メータが吸入空気温であり、吸入空気温が高くなるほど
噴射時期を遅らすようにしている。８番目の発明では４
番目の発明において、運転パラメータが機関の冷却水温
であり、機関の冷却水温が高くなるほど噴射時期を遅ら
すようにしている。

【００２１】９番目の発明では４番目の発明において、
運転パラメータが吸入空気の湿度であり、吸入空気の湿
度が高くなるほど噴射開始時期を早くするようにしてい
る。１０番目の発明では１番目の発明において、冷却装
置内における再循環排気ガスの流れ方向を逆方向に切換
えるための切換手段を具備し、予め定められた期間が経
過する毎に冷却装置内における再循環排気ガスの流れ方
向をそれまでとは逆方向に切換えるようにしている。

【００２２】１１番目の発明では１番目の発明におい
て、排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であ
る。１２番目の発明では１番目の発明において、機関排
気通路内に酸化機能を有する触媒を配置している。１３
番目の発明では１２番目の発明において、触媒が酸化触
媒、三元触媒又はＮＯ_x 吸収剤の少くとも一つからな
る。

【００２３】１４番目の発明では１番目の発明におい
て、煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも
燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が多く煤がほと
んど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量がピークとな
る再循環ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気
ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切換える切換手
段を具備している。

【００２４】１５番目の発明では１４番目の発明におい
て、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負
荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第
１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行う
ようにしている。

【００２５】

【発明の実施の形態】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場合を示している。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を介してエア
クリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内にはステ
ップモータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配
置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７
および排気管１８を介して酸化機能を有する触媒１９を
内蔵した触媒コンバータ２０に連結される。

【００２６】排気マニホルド１７とサージタンク１２と
はＥＧＲ通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路
２１内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。
また、ＥＧＲ通路２１内にはＥＧＲガスを冷却するため
の冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例で
は機関冷却水が冷却水導入口２４から冷却装置２３内に
導入され、この冷却水によってＥＧＲガスが冷却され
る。ＥＧＲガスを冷却した冷却水は冷却水排出口２５か
ら排出されて機関本体１に返戻される。

【００２７】一方、燃料噴射弁６は燃料供給管２６を介
して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結さ
れる。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量
可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレー
ル２８内に供給された燃料は各燃料供給管２６を介して
燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモ
ンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ
２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づ
いてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるよ
うに燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。

【００２８】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。図１に示されるように燃料圧センサ２９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。機関本体１には機関冷却水温を検出するた
めの水温センサ３０が配置され、この水温センサ３０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。スロットル弁１６上流の吸気ダクト
１３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３１と、吸入空気温を検出するための温度セン
サ３２と、吸入空気の湿度を検出するための湿度センサ
３３とが配置され、これら質量流量検出器３１、温度セ
ンサ３２および湿度センサ３３の出力信号は夫々対応す
るＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力され
る。

【００２９】アクセルペダル５０にはアクセルペダル５
０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１５、ＥＧＲ制御弁２２および燃
料ポンプ２８に接続される。

【００３０】図２は機関低負荷運転時にスロットル弁１
６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，ＮＯ_x 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。

【００３１】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Ｎ
Ｏ_x 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。

【００３２】図３（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でス
モークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変
化を示しており、図３（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１３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３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比
較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である
図３（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図３
（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。

【００３３】図２および図３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１
５．０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ＮＯ_x の発生量がかなり低下する。Ｎ
Ｏ_x 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。同じことが図３からも言える。即
ち、煤がほとんど発生していない図３（Ｂ）に示す状態
では燃焼圧が低くなっており、従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。

【００３４】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
含まれる図４に示される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４に示
される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。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。

【００３５】図２および図３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。

【００３６】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や圧縮比等の種
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ＮＯ_x 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ＮＯ_x 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、ＮＯ_x の発生量が低下する。このときＮＯ_x 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ＮＯ
_x 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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】図５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５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９
０℃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。

【００４３】図５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。一方、図５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。

【００４４】また、図５の曲線Ｃで示されるようにＥＧ
Ｒガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５
５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。なお、図５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。

【００４５】図６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６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お
り、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。

【００４６】図６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６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６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６に示す実施例では７
０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６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６
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
て煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯ_x 発
生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってＮ
Ｏ_x の発生量は極めて少量となる。

【００４７】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６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。

【００４８】一方、図６の負荷領域Ｚ２では煤の発生を
阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入
ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を
阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給
するにはＥＧＲガスおよび吸入空気の双方、或いはＥＧ
Ｒガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を
過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガ
ス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従って
この場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減
少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチ
のもとで燃料を燃焼せしめることになる。

【００４９】前述したように図６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図６に示される低
負荷運転領域Ｚ１において空気量を図６に示される空気
量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の
発生を阻止しつつＮＯ_x の発生量を１０p.p.m 前後又は
それ以下にすることができ、また図６に示される低負荷
領域Ｚ１において空気量を図６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ＮＯ_x の発生量を１０
p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。

【００５０】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ＮＯ_x 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全く生成されない。更に、ＮＯ_x
も極めて少量しか発生しない。

【００５１】このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では
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
であろうと煤が発生されず、ＮＯ_x 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。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少ない比較的機関負
荷が低いときに限られる。従って本発明では機関負荷が
比較的低いとき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
して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関負
荷が比較的高いときには第２の燃焼、即ち従来より普通
に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここ
で第１の燃焼、即ち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
ない燃焼のことを云い、第２の燃焼、即ち従来より普通
に行われている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ない燃焼の
ことを云う。

【００５２】図７は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われ
る第１の運転領域Ｉと、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方
法による燃焼が行われる第２の燃焼領域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。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、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。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。

【００５３】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。

【００５４】ところで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記体又はそ
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酸化機能を
有する触媒１９により良好に酸化せしめられる。触媒１
９としては酸化触媒、三元還元、又はＮＯ_x 吸収剤を用
いることができる。ＮＯ_x 吸収剤は燃焼室５内における
平均空燃比がリーンのときにＮＯ_x を吸収し、燃焼室５
内における平均空燃比がリッチになるとＮＯ_x を放出す
る機能を有する。

【００５５】このＮＯ_x 吸収剤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Ｎ
ａ、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】酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯ
_x 吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く
三元触媒およびＮＯ_x 吸収剤を触媒１９として用いるこ
とができる。次に図８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。

【００５７】図８は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１
６の開度、ＥＧＲ制御弁２２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８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１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉
近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制
御弁２２の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近
くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図８に
示される例では第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７
０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。

【００５８】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１６の
開度およびＥＧＲ制御弁２２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。

【００５９】なお、アイドリング運転時にはスロットル
弁１６は全閉近くまで閉弁され、このときＥＧＲ制御弁
２２も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１
６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、アイドリン
グ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１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。

【００６０】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１６の開
度が半開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８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５）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。

【００６１】第２の運転領域IIでは第２の燃焼、即ち従
来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では
煤およびＮＯ_x が若干発生するが低温燃焼に比べて熱効
率は高く、従って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に変わると図８に示されるように噴
射量がステップ状に低減せしめられる。この第２の運転
領域IIではスロットル弁１６は一部を除いて全開状態に
保持され、ＥＧＲ制御弁２２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。

【００６２】図９は第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ
／Ｆを示している。図９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９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が低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーン
とされる。

【００６３】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
９に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃
比Ａ／Ｆが大きくされる。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例では要求負荷Ｌが低
くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。

【００６４】一方、第１の運転領域ＩではＥＧＲ率が機
関の運転領域に応じた最適のＥＧＲ率とされる。このＥ
ＧＲ率ＥＧは図１０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。なお、空燃比を図９に示される目
標空燃比Ａ／Ｆとし、ＥＧＲ率を図１０に示される目標
ＥＧＲ率ＥＧとするのに必要なスロットル弁１６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ＲＯＭ
４２内に記憶されており、空燃比を図９に示す目標空燃
比Ａ／Ｆとし、ＥＧＲ率を図１０に示される目標ＥＧＲ
率ＥＧとするのに必要なＥＧＲ制御弁２２の目標開度Ｓ
Ｅ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。

【００６５】また、第１の運転領域Ｉにおける噴射量Ｑ
は図８に示されるように要求負荷Ｌが高くなるにつれて
増大する。この噴射量Ｑは機関回転数の関数でもあり、
この噴射量Ｑは図１２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ＲＯＭ４
２内に記憶されている。一方、第１の燃焼が行われてい
るときには冒頭で述べたように燃料噴射時期に対してス
モークが発生せずかつ失火を生じない安定した燃焼の得
られる最適なクランク角範囲が存在し、従って第１の燃
焼を行う場合にはこの最適なクランク角範囲において燃
料噴射を行う必要がある。しかしながらこの安定した燃
焼の得られる最適なクランク角範囲は、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に影響を与
える機関の運転パラメータの値、例えば空燃比や、ＥＧ
Ｒ率や、吸入空気温や、ＥＧＲガス温や、機関の冷却水
温や、吸入空気中の湿度等により変化する。

【００６６】この場合、機関の運転パラメータの値の変
化が激しいと燃焼室５内における燃焼時の燃料およびそ
の周囲のガス温度が変化しても検出遅れ等によってその
変化に追従させて噴射時期を変化させることができず、
斯くして噴射時期が最適なクランク角範囲からずれてし
まうためにスモークが発生するか、或いは失火が発生す
ることになる。

【００６７】ところで燃焼室５内における燃焼時の燃料
およびその周囲のガス温度に影響を与える機関の運転パ
ラメータのうちで吸入空気温や、機関の冷却水温や、吸
入空気の湿度は急変することがなく、従ってこれらのパ
ラメータが変化してもその変化に追従させて噴射時期を
最適なクランク角範囲内に制御することができる。ま
た、第１の燃焼が行われているときには図９からわかる
ように運転状態が変化しても空燃比Ａ／Ｆはさほど変化
せず、同様に第１の燃焼が行われているときには運転状
態が変化してもＥＧＲ率はさほど変化しない。従ってこ
れらのパラメータが変化してもその変化に追従させて噴
射時期を最適なクランク角範囲内に制御することができ
る。

【００６８】ところが燃焼室５内における燃焼時の燃料
およびその周囲のガス温度に影響を与える機関の運転パ
ラメータのうちでＥＧＲガス温は機関の運転状態が変化
すると激しく変化する。従ってＥＧＲガス温が変化した
ときにＥＧＲガス温の変化に応じて噴射時期を制御して
もＥＧＲガス温の変化に追従させて噴射時期を変化させ
ることができず、斯くして噴射時期が最適なクランク角
範囲からずれてしまうためにスモークが発生するか、或
いは失火が発生するという問題を生ずることになる。

【００６９】そこで本発明ではＥＧＲ通路２１内に配置
された冷却装置２３に対し、冷却装置２３から流出した
ＥＧＲガスの温度をほぼ予め定められた設定温度に維持
するのに必要な冷却能力を持たせるようにしている。云
い換えると冷却装置２３に大量の機関冷却水を供給し、
それによって冷却装置２３の出口におけるＥＧＲガス温
を予め定められた設定温度に維持するようにしている。

【００７０】図１３は図１に示す冷却装置２３内におけ
るＥＧＲガス温Ｔの変化を示している。図１３に示され
るように図１に示す冷却装置２３を用いると冷却装置２
３の入口におけるＥＧＲガス温Ｔが１５０℃であっても
３００℃であっても５００℃であっても、即ち機関から
排出された排気ガス温が激しく変動しても冷却装置２３
の出口におけるＥＧＲガス温Ｔは一定温度に維持するこ
とができる。

【００７１】なお、図１に示される冷却装置１３では冷
却装置１３の出口における機関の冷却水温とほぼ等しく
なる。機関の冷却水温はサーモスタット等により一定温
度に維持されており、図１に示す内燃機関では機関の冷
却水温がほぼ１２０℃に維持されている。従って図１に
示される冷却装置１３の出口におけるＥＧＲガス温Ｔは
ほぼ１２０℃に維持されている。機関の冷却水温は１２
０℃よりも低い温度、例えば８０℃に維持することもで
き、このときには冷却装置１３の出口におけるＥＧＲガ
ス温Ｔは８０℃となる。

【００７２】いずれにしても大量の冷却水を冷却装置２
３に供給すれば特別な温度制御を行わなくても冷却装置
２３の出口におけるＥＧＲガス温Ｔを一定に維持するこ
とができる。図８に示されるように第１の燃焼が行われ
ているときの噴射開始時期θＳ１、即ち第１の運転領域
Ｉにおける噴射開始時期θＳ１は要求負荷Ｌが高くなる
につれて遅くされる。即ち、噴射開始時期θＳ１を進角
量で表わすと噴射開始時期の進角量θＳ１は図１４
（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌが高くなるにつれて
小さくなる。また、噴射開始時期の進角量θＳ１は図１
４（Ｂ）に示されるように機関回転数Ｎが高くなるにつ
れて大きくなる。本発明では冷却装置２３から流出した
ＥＧＲガス温が一定温度、例えば１２０℃のときに最適
となる噴射開始時期の進角量θＳ１が実験により求めら
れ、この進角量θＳ１に基づいて噴射開始時期が定めら
れる。

【００７３】具体的に云うと本発明による実施例では、
冷却装置２３の出口におけるＥＧＲガス温を予め定めら
れた設定温度、例えば１２０℃に維持した状態で、空燃
比Ａ／Ｆが基準空燃比（Ａ／Ｆ₀ ）であり、ＥＧＲ率Ｅ
Ｇが基準ＥＧＲ率ＥＧ₀ であり、吸入空気温ＧＴが基準
温度ＧＴ₀ であり、機関冷却水温ＴＷが基準温度ＴＷ₀
であり、吸入空気の湿度ＤＦが基準湿度ＤＦ₀ であると
きの噴射開始時期の基準進角量θＳ１が実験により求め
られ、この基準進角量θＳ１が図１４（Ｃ）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。

【００７４】図１５は第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法
による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示して
いる。なお、図１５においてＡ／Ｆ＝２４，Ａ／Ｆ＝３
５，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。空
燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１
６の目標開度ＳＴが図１６（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、空燃比をこの目標空
燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２２の目標開度ＳＥ
が図１６（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。

【００７５】また、第２の燃焼が行われるときの噴射量
Ｑは図１７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、第２の燃焼が行われるときの噴射開始時期
θＳ２は図１８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。

【００７６】ところで第１の燃焼が行われているときに
空燃比Ａ／Ｆが基準空燃比（Ａ／Ｆ ₀ ）であり、ＥＧＲ
率ＥＧが基準ＥＧＲ率ＥＧ₀ であり、吸入空気温ＧＴが
基準温度ＧＴ₀ であり、機関冷却水温ＴＷが基準温度Ｔ
Ｗ₀ であり、吸入空気の湿度ＤＦが基準湿度ＤＦ₀ であ
るときには噴射開始時期の進角量を図１４（Ｃ）のマッ
プで示される基準進角量θＳ１とすればスモークが発生
せず、失火することのない安定した燃焼を得ることがで
きる。

【００７７】しかしながら例えば燃焼室５内への吸入空
気温ＧＴが基準温度ＧＴ₀ よりも大巾に高くなったとき
に噴射開始時期の進角量を基準進角量Ｓθ１にしておく
と燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が過度に高くな
り、その結果スモークが発生することになる。従ってこ
の場合には噴射開始時期の進角量を基準進角量Ｓθ１よ
りも小さくするように、即ち噴射開始時期を遅らせるよ
うに補正する必要がある。

【００７８】これに対し、例えば燃焼室５内への吸入空
気温ＧＴが基準温度ＧＴ₀ よりも大巾に低くなったとき
に噴射開始時期の進角量を基準進角量Ｓθ１にしておく
と燃焼時の燃料およびその周囲のガス温が低くなり、そ
の結果失火を生ずることになる。従ってこの場合には噴
射開始時期の進角量を基準進角量Ｓθ１よりも大きくす
るように、即ち噴射開始時期を早めるように補正する必
要がある。

【００７９】次に図１９を参照しつつ噴射開始時期の進
角量Ｓθ１の補正量について説明する。図１９（Ａ）は
空燃比Ａ／Ｆと噴射開始時期の進角量Ｓθ１に対する補
正量Δθ１との関係を示している。空燃比Ａ／Ｆが大き
くなると燃焼室５内における燃焼が活発となるために燃
焼時の燃料およびその周囲のガス温度が高くなり、空燃
比Ａ／Ｆが小さくなると燃焼が次第に活発でなくなるた
めに燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低くな
る。従って空燃比Ａ／Ｆが基準値（Ａ／Ｆ）₀ よりも大
きくなると補正量Δθ１は次第に大きな負の値となり、
空燃比Ａ／Ｆが基準値（Ａ／Ｆ）₀ よりも小さくなると
補正量Δθ１は次第に大きな正の値となる。

【００８０】図１９（Ｂ）はＥＧＲ率ＥＧと噴射開始時
期の進角量Ｓθ１に対する補正量Δθ２との関係を示し
ている。ＥＧＲ率ＥＧが大きくなると燃焼室５内におけ
る燃焼が次第に活発でなくなるために燃焼時の燃料およ
びその周囲のガス温度が低くなり、ＥＧＲ率ＥＧが小さ
くなると燃焼が活発になるために燃焼時の燃料およびそ
の周囲のガス温度は高くなる。従ってＥＧＲ率ＥＧが基
準値ＥＧ₀ よりも大きくなると補正量Δθ２は次第に大
きな正の値となり、ＥＧＲ率ＥＧが基準値ＥＧ ₀ よりも
小さくなると補正量Δθ２は次第に大きな負の値とな
る。

【００８１】図１９（Ｃ）は燃焼室５内に流入する吸入
空気温ＧＴと噴射開始時期の進角量Ｓθ１に対する補正
量Δθ３との関係を示している。吸入空気温ＧＴが高く
なると燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が高くな
り、吸入ガス温ＧＴが低くなると燃焼時の燃料およびそ
の周囲のガス温度は低くなる。従って吸入空気温ＧＴが
基準値ＧＴ₀ よりも高くなると補正量Δθ３は次第に大
きな負の値となり、吸入ガス温ＧＴが基準値ＧＴ₀ より
も低くなると補正量Δθ３は次第に大きな正の値とな
る。

【００８２】図１９（Ｄ）は機関冷却水温ＷＴと噴射開
始時期の進角量Ｓθ１に対する補正量Δθ４との関係を
示している。機関冷却水温ＷＴが高くなると燃焼室５内
のガス温が高くなるために燃焼時の燃料およびその周囲
のガス温度が高くなり、機関冷却水温ＷＴが低くなると
燃焼室５内のガス温が低くなるために燃焼時の燃料およ
びその周囲のガス温度は低くなる。従って機関冷却水温
ＷＴが基準値ＷＴ₀ よりも高くなると補正量Δθ４は次
第に大きな負の値となり、機関冷却水温ＷＴが基準値Ｗ
Ｔ₀ よりも低くなると補正量Δθ４は次第に大きな正の
値となる。

【００８３】図１９（Ｅ）は吸入空気の湿度ＤＦと噴射
開始時期の進角量Ｓθ１に対する補正量Δθ５との関係
を示している。吸入空気の湿度ＤＦが高くなると吸入空
気に含まれる水分の吸熱作用によって燃焼時の燃料およ
びその周囲のガス温度が低くなり、吸入空気の湿度ＤＦ
が低くなると吸入空気に含まれる水分による吸熱作用が
低下するために燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度
は高くなる。従って吸入空気の湿度ＤＦが基準値ＤＦ₀
よりも大きくなると補正量Δθ５は次第に大きな正の値
となり、吸入空気の湿度ＤＦが基準値ＤＦ₀ よりも小さ
くなると補正量Δθ５は次第に大きな負の値となる。

【００８４】なお、図１９（Ａ）から（Ｅ）に示される
各関係は予めＲＯＭ４２内に記憶されている。次に図２
０および図２１を参照しつつ運転制御について説明す
る。図２０および図２１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Ｘ１（Ｎ）よ
りも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ１（Ｎ）
のときにはステップ１０３に進んで低温燃焼が行われ
る。

【００８５】即ち、ステップ１０３では図１１（Ａ）に
示すマップからスロットル弁１６の目標開度ＳＴが算出
され、スロットル弁１６の開度がこの目標開度ＳＴとさ
れる。次いでステップ１０４では図１１（Ｂ）に示すマ
ップからＥＧＲ制御弁２２の目標開度ＳＥが算出され、
ＥＧＲ制御弁２２の開度がこの目標開度ＳＥとされる。
次いでステップ１０５では図１２に示すマップから噴射
量Ｑが算出される。次いでステップ１０６では図１４
（Ｃ）に示すマップから噴射開始時期の基本進角量θＳ
１が算出される。

【００８６】次いでステップ１０７では質量流量検出器
３１により検出された吸入空気の質量流量Ｇａが取込ま
れる。次いでステップ１０８では燃料噴射量Ｑと吸入空
気の質量流量Ｇａから空燃比Ａ／Ｆが算出される。次い
でステップ１０９ではこの空燃比Ａ／Ｆに基づいて図１
９（Ａ）に示す関係から補正量Δθ１が算出される。次
いでステップ１１０では図１０に示されるマップから算
出されたＥＧＲ率ＥＧに基づいて図１９（Ｂ）に示す関
係から補正値Δθ２が算出される。次いでステップ１１
１では温度センサ３２により検出された吸入空気温ＧＴ
に基づいて図１９（Ｃ）に示す関係から補正量Δθ３が
算出される。次いでステップ１１２では水温センサ３０
により検出された機関冷却水温ＷＴに基づいて図１９
（Ｄ）に示す関係から補正値Δθ４が算出される。次い
でステップ１１３では湿度センサ３３により検出された
吸入空気の湿度に基づいて図１９（Ｅ）に示す関係から
補正値Δθ５が算出される。

【００８７】次いでステップ１１４では基本進角量θＳ
１に各補正値Δθ１からΔθ５を加算することによって
最終的な噴射開始時期の進角量θＳ１（＝θＳ１＋Δθ
１＋Δθ２＋Δθ３＋Δθ４＋Δθ５）が算出される。
次いでステップ１１５ではこの最終的な進角量θＳ１、
噴射量Ｑおよび燃料圧センサ２９により検出されたコモ
ンレール２７内の燃料圧に基づいて噴射完了時期θＥ１
が算出される。

【００８８】一方、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１１８
に進んで第２の燃焼が行われる。即ち、ステップ１１８
では図１６（Ａ）に示すマップからスロットル弁１６の
目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１６の開度がこ
の目標開度ＳＴとされる。次いでステップ１１９では図
１６（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２２の目標開
度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２２の開度がこの目標
開度ＳＥとされる。次いでステップ１２０では図１７に
示すマップから噴射量Ｑが算出され、次いでステップ１
２１では図１８に示すマップから噴射開始時期θＳ２が
算出される。次いでステップ１２２では噴射開始時期θ
Ｓ２、噴射量Ｑおよびコモンレール２７内の燃料圧から
噴射完了時期θＥ２が算出される。

【００８９】フラグＩがリセットされると次の処理サイ
クルではステップ１００からステップ１１６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１１８
に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。
一方、ステップ１１６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１１７に進んでフラグＩが
セットされ、次いでステップ１０３に進んで低温燃焼が
行われる。

【００９０】図２２に別の実施例を示す。この実施例で
は冷却装置２３内におけるＥＧＲガスの流れ方向を逆方
向に切換えるための切換装置６０が設けられている。即
ち、排気マニホルド１７に連結されているＥＧＲ通路部
分２１ａは二又に分岐されて一方では冷却装置２３の一
端Ａに連結され、他方では冷却装置２３の他端Ｂに連結
される。ＥＧＲ通路部分２１ａの分岐部にはアクチュエ
ータ６１により作動せしめられる切換弁６２が配置さ
れ、この切換弁６２によってＥＧＲ通路部分２１ａは冷
却装置２３の一端Ａ又は他端Ｂに選択的に連結される。

【００９１】一方、サージタンク１３に連結されている
ＥＧＲ通路部分２１ｂも二又に分岐されて一方では冷却
装置２３の一端Ａに連結され、他方では冷却装置２３の
他端Ｂに連結される。ＥＧＲ通路部分２１ｂの分岐部に
はアクチュエータ６１により作動せしめられる切換弁６
３が配置され、この切換弁６３によってＥＧＲ通路部分
２１ｂは冷却装置２３の一端Ａ又は他端Ｂに選択的に連
結される。

【００９２】図２３は各切換弁６２，６３の切換制御ル
ーチンを示している。図２３を参照するとステップ２０
０では機関回転数ＮがΣＮに加算される。従ってこのΣ
Ｎは機関回転数Ｎの累積値を表している。次いでステッ
プ２０１では機関回転数の累積値ΣＮが予め定められた
設定値Ｎ₀ を越えたか否かが判別される。ΣＮ≦Ｎ₀ の
ときには処理サイクルを完了する。

【００９３】このとき各切換弁６２，６３が図２２の実
線で示す位置にあったとすると各切換弁６２，６３は図
２２の実線で示す位置に保持される。このときＥＧＲガ
スは実線の矢印で示す如く流れ、ＥＧＲガスは冷却装置
２３内に一端Ａから流入し、他端Ｂから排出される。一
方、図２３のステップ２０１においてΣＮ＞Ｎ₀ になっ
たと判断されたときにはステップ２０２に進んで各切換
弁６２，６３が図２２の破線で示す位置に切換えられ
る。次いでステップ２０３に進んでΣＮが零とされる。
このときにはＥＧＲガスは破線の矢印で示す如く流れ、
ＥＧＲガスは冷却装置２３内に他端Ｂから流入し、一端
Ａから排出される。

【００９４】その後、再びステップ２０１においてΣＮ
＞Ｎ₀ になったと判断されたときにはステップ２０２に
進んで各切換弁６２，６３が図２２の実線で示す位置に
切換えられる。従ってＥＧＲガスは冷却装置２３内を予
め定められた期間を経過する毎にそれまでとは逆方向に
流通せしめられることになる。即ち、第１の燃焼が行わ
れているときには機関から多量の未燃炭化水素が排出さ
れ、従ってＥＧＲガス中には多量の未燃炭化水素が含ま
れている。このＥＧＲガスは冷却装置２３により冷却さ
れ、冷却装置２３の流出口付近ではかなりの低温とな
る。ＥＧＲガス温が低下するとＥＧＲガス中に含まれる
未燃炭化水素がデポジットとして堆積しやすくなり、斯
くして冷却装置２３の流出口付近にはデポジットが堆積
することになる。

【００９５】そこでこの実施例では予め定められた期間
が経過したときに冷却装置１３内においてＥＧＲガスを
それまでとは逆方向に流し、高温のＥＧＲガスによって
堆積しているデポジットを燃焼させ、除去するようにし
ている。

【００９６】

【発明の効果】スモークが発生せず、失火を生じない安
定した燃焼を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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ＮＯ_x の発生量等を示す図であ
る。

【図３】燃焼圧を示す図である。

【図４】燃料分子を示す図である。

【図５】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図
である。

【図６】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図であ
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】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図９】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図であ
る。

【図１０】第１の運転領域ＩにおけるＥＧＲ率のマップ
を示す図である。

【図１１】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】噴射量のマップを示す図である。

【図１３】冷却装置内におけるＥＧＲガス温を示す図で
ある。

【図１４】噴射開始時期を示す図である。

【図１５】第２の燃焼における空燃比を示す図である。

【図１６】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図
である。

【図１７】噴射量のマップを示す図である。

【図１８】噴射開始時期のマップを示す図である。

【図１９】各補正量を示す図である。

【図２０】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図２１】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【図２２】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す図で
ある。

【図２３】切換弁を制御するためのフローチャートであ
る。

【符号の説明】

６…燃料噴射弁 ２１…ＥＧＲ通路 ２２…ＥＧＲ制御弁 ２３…冷却装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｐ 7/16 ５０４ Ｆ０１Ｐ 7/16 ５０４Ｚ Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１ Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｄ 41/02 ３８０ 41/02 ３８０Ｅ 41/40 41/40 Ｅ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｊ ３０１Ｎ 45/00 ３０１ 45/00 ３０１Ｆ ３６８ ３６８Ｆ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０Ｆ ５７０ ５７０Ｄ ５８０ ５８０Ｅ (56)参考文献 特開 平７−4287（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−86251（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−177651（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−287527（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−287528（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−254152（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−296469（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−303309（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−96606（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 F02M 25/07

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機関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ための排気ガス再循環装置を具備
   し、燃焼室内に供給される再循環排気ガス量を増大して
   いくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼
   室内に供給される再循環排気ガス量を更に増大していく
   と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
   なくなる内燃機関において、煤の発生量がピークとなる
   再循環排気ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排
   気ガス量を多くし、機関排気通路と機関吸気通路とを連
   結する排気ガス再循環通路内に冷却装置を配置すると共
   に該冷却装置に対し、冷却装置から流出した再循環排気
   ガスの温度をほぼ予め定められた設定温度に維持するの
   に必要な冷却能力を持たせ、冷却装置から流出した再循
   環排気ガスの温度が該設定温度のときに最適となる噴射
   時期が予め記憶されており、記憶されている噴射時期に
   基づいて噴射時期を定めるようにした内燃機関。
2. 【請求項２】 機関冷却水が上記冷却装置に導びかれ、
   機関冷却水により再循環排気ガスが冷却される請求項１
   に記載の内燃機関。
3. 【請求項３】 機関本体内の冷却水温がほぼ一定に維持
   されており、上記設定温度がほぼ一定に維持されている
   機関本体内の冷却水温とほぼ等しい請求項２に記載の内
   燃機関。
4. 【請求項４】 燃焼室内における燃焼時の燃料およびそ
   の周囲のガス温度に影響を与える機関の運転パラメータ
   の値を検出する検出手段を具備し、上記噴射時期を該運
   転パラメータの値に基づいてスモークの発生する噴射時
   期と失火が生ずる噴射時期との間に制御するようにした
   請求項１に記載の内燃機関。
5. 【請求項５】 上記運転パラメータが空燃比であり、空
   燃比が大きくなるほど噴射時期を遅らすようにした請求
   項４に記載の内燃機関。
6. 【請求項６】 上記運転パラメータが排気ガス再循環率
   であり、排気ガス再循環率が高くなるほど噴射時期を早
   くするようにした請求項４に記載の内燃機関。
7. 【請求項７】 上記運転パラメータが吸入空気温であ
   り、該吸入空気温が高くなるほど噴射時期を遅らすよう
   にした請求項４に記載の内燃機関。
8. 【請求項８】 上記運転パラメータが機関の冷却水温で
   あり、機関の冷却水温が高くなるほど噴射時期を遅らす
   ようにした請求項４に記載の内燃機関。
9. 【請求項９】 上記運転パラメータが吸入空気の湿度で
   あり、吸入空気の湿度が高くなるほど噴射時期を早くす
   るようにした請求項４に記載の内燃機関。
10. 【請求項１０】 冷却装置内における再循環排気ガスの
    流れ方向を逆方向に切換えるための切換手段を具備し、
    予め定められた期間が経過する毎に冷却装置内における
    再循環排気ガスの流れ方向をそれまでとは逆方向に切換
    えるようにした請求項１に記載の内燃機関。
11. 【請求項１１】 排気ガス再循環率がほぼ５５パーセン
    ト以上である請求項１に記載の内燃機関。
12. 【請求項１２】 機関排気通路内に酸化機能を有する触
    媒を配置した請求項１に記載の内燃機関。
13. 【請求項１３】 該触媒が酸化触媒、三元触媒又はＮＯ
    _x 吸収剤の少くとも一つからなる請求項１２に記載の内
    燃機関。
14. 【請求項１４】 煤の発生量がピークとなる再循環排気
    ガス量よりも燃焼室内に供給される再循環排気ガス量が
    多く煤がほとんど発生しない第１の燃焼と、煤の発生量
    がピークとなる再循環ガス量よりも燃焼室内に供給され
    る再循環排気ガス量が少ない第２の燃焼とを選択的に切
    換える切換手段を具備した請求項１に記載の内燃機関。
15. 【請求項１５】 機関の運転領域を低負荷側の第１の運
    転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運
    転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２
    の燃焼を行うようにした請求項１４に記載の内燃機関。