JP3807209B2

JP3807209B2 - 内燃機関の運転制御装置

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Publication number: JP3807209B2
Application number: JP2000264507A
Authority: JP
Inventors: 栄記守谷; 智志菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: JP2002070620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特にディーゼル機関において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通路により連結し、この排気ガス再循環通路を介して排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる技術が公知である。排気ガスは比較的比熱が高く、したがって多量の熱を吸収することができるので機関吸気通路内に再循環させる排気ガス量（以下、再循環排気ガス量）を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下し、したがってＮＯ_xの発生量が低下する。このように再循環排気ガス量を増大すればＮＯ_xの発生量を低下させることはできるが再循環排気ガス量が或る限度を越えると煤の発生量が急激に増大し始める。このため従来では煤の発生量を一定限度以下に抑えるために再循環排気ガス量を煤の発生量が急激に増大し始める前の量に制限しなければならないと考えられていた。
【０００３】
しかしながら最近の研究によりさらに再循環排気ガス量を増大させると煤の発生量は或るピークを境に徐々に減少することが判明した。そこで再循環排気ガス量を煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも大きくして内燃機関を運転させる第一の運転と、再循環排気ガス量を煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも小さくして内燃機関を運転させる第二の運転とを選択的に切り換えるようにした内燃機関が提案されている（特開平１１−３６９２３号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで第一の運転が行われているときには再循環排気ガス量が多く、したがって吸入空気量が少ないので空燃比は比較的小さく、理論空燃比に近くなる。ここで空燃比を理論空燃比に制御するためには機関排気通路に空燃比センサを配置し、当該空燃比センサにより排気ガスの空燃比を検出し、当該検出された排気ガスの空燃比に基づいて燃料噴射量を制御するようにすることが好ましい。ところが第一の運転が行われている間に空燃比がリッチとなったとき（以下、第一燃焼・リッチ運転時）には一部の燃料が完全には燃焼せずにメタンとなり、したがって排気ガス中に残存する酸素量が多くなる。すなわち空燃比が同じであっても第一燃焼・リッチ運転時の排気ガス中の酸素濃度は第一燃焼・リッチ運転時以外における排気ガス中の酸素濃度に比べて大きくなる傾向がある。ここで空燃比センサが排気ガス中の酸素濃度に応じた出力値を出力するタイプのセンサである場合、空燃比センサは実際の空燃比よりもリーンな空燃比に対応する出力値を出力することとなる。すなわち空燃比センサにより検出される空燃比がリーン側にずれることとなる。ここで空燃比センサの出力値に基づいて燃料噴射量を制御しても空燃比を理論空燃比に制御することはできない。
【０００５】
こうした問題は空燃比を理論空燃比に維持する場合のみならず空燃比を或る特定の目標空燃比に維持するために空燃比センサの出力値を利用する場合にも同様に生じる問題である。
そこで本発明の目的は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一の燃焼が行われている間に空燃比がリッチとなったときにおいても空燃比を正確に目標空燃比に制御することができるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一番目の発明では上記目的を達成するために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さら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度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が多く煤がほとんど発生しない第一の燃焼と、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少ない第二の燃焼とを選択的に切り換える切換手段と、空燃比を検出するために機関排気通路に配置された空燃比センサと、第一の燃焼が行われているときに空燃比が目標空燃比となるように空燃比センサの出力値に基づいて空燃比をフィードバック制御するための制御手段とを具備し、第一の燃焼が行われている間に空燃比がリッチとなったときに空燃比センサの出力値を補正する出力値補正処理を実行する。すなわち第一の燃焼が行われている間に空燃比がリッチとなったときには空燃比センサの出力値を補正し、当該補正された出力値に基づいて空燃比がフィードバック制御される。
【０００７】
二番目の発明では一番目の発明において上記出力値補正処理において空燃比がリッチであるほど上記空燃比センサの出力値が小さくなるように空燃比センサの出力値を補正する。
三番目の発明では一番目の発明において上記出力値補正処理において空燃比センサの出力可能範囲全体に亘って出力値が小さくなるように空燃比センサの出力値を補正する。
【０００８】
四番目の発明では一番目の発明において上記空燃比センサの下流側に排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒の下流側に上記空燃比センサとは別個に空燃比センサを配置し、第一の燃焼が行われているときに該排気浄化触媒の上流側の空燃比センサの出力値に対応する再循環排気ガス量になるように上記再循環排気ガス量を制御するとともに該排気浄化触媒の下流側の空燃比センサの出力値に対する補正量に基づいて上記再循環排気ガス量を補正する。
【０００９】
五番目の発明では四番目の発明において上記再循環排気ガス量に対する補正量が予め定められた量よりも多くなったときには上記排気浄化触媒が劣化していると診断する。
【００１０】
【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。
【００１１】
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２５を内蔵した触媒コンバータ２６に連結される。触媒コンバータ２６の上流側において排気マニホルド２２内には空燃比センサ（以下、上流側空燃比センサ）２７ａが配置され、触媒コンバータ２６の下流側には空燃比センサ（以下、下流側空燃比センサ）２７ｂが配置される。
【００１２】
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と称す）通路２９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２９内にはステップモータ３０により駆動されるＥＧＲ制御弁３１が配置される。またＥＧＲ通路２９内にはＥＧＲ通路２９内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのインタークーラ３２が配置される。図１に示した実施例では機関冷却水がインタークーラ３２内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１３】
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。
【００１４】
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、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、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および燃料ポンプ３５に接続される。
【００１５】
図２は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，ＮＯ_xの排出量の変化を示した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。
【００１６】
図２に示したように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ＮＯ_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。
【００１７】
図３（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内の燃焼圧変化を示しており、図３（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）に示した場合はスモークの発生量が多い図３（Ａ）に示した場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００１８】
図２および図３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２に示したようにＮＯ_xの発生量がかなり低下する。ＮＯ_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、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３からも言える。すなわち煤がほとんど発生していない図３（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。
【００１９】
第二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２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４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２に示した如くＨＣおよびＣＯの排出量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体またはその前の状態の炭化水素である。
【００２０】
図２および図３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。
【００２１】
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ＮＯ_x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ＮＯ_x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、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ＮＯ_x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。
【００２２】
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、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ことを核としている。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。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。
【００２６】
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。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、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。
【００２７】
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。すなわち図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。
【００２８】
図５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５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。
【００２９】
また図５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。
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。
【００３０】
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いる。
【００３１】
図６を参照すると空気の割合、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６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６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６に示した実施例では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、またはそれ以下であり、したがってＮＯ_xの発生量は極めて少量となる。
【００３２】
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。したがって図６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する必要がある。
【００３３】
ところで過給が行われていない場合には燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量Ｘの上限はＹであり、したがって図６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が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【００３４】
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。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。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が全開せしめられる、スロットル弁２０が若干閉弁せしめられる。
【００３５】
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空気量を図６に示した空気量よりも少くしても、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ＮＯ_x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６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ＮＯ_x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。
【００３６】
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。さらにＮＯ_xも極めて少量しか発生しない。
【００３７】
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、すなわち空燃比がリッチであろうと、或いは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、且つＮＯ_x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。
【００３８】
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。したがって本発明による実施例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第一の燃焼、すなわち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第二の燃焼、すなわ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。なおここで第一の燃焼、すなわ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言い、第二の燃焼、すなわ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い燃焼のことを言う。
【００３９】
図７は第一の燃焼、すなわち低温燃焼が行われる第一の運転領域Ｉと、第二の燃焼、すなわち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第二の運転領域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の踏込量、すなわ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）は第一の運転領域Ｉと第二の運転領域IIとを分ける第一の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第一の運転領域Ｉと第二の運転領域IIとを分ける第二の境界を示している。第一の運転領域Ｉから第二の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第一の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第二の運転領域IIから第一の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第二の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４０】
すなわち機関の運転状態が第一の運転領域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の関数である第一の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第二の運転領域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の関数である第二の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第一の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００４１】
このように第一の境界Ｘ（Ｎ）と第一の境界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第二の境界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。第一の理由は、第二の運転領域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が第一の境界Ｘ（Ｎ）より低くなったとしても直ちに低温燃焼を行えないからである。すなわち要求負荷Ｌがかなり低くなったとき、すなわち第二の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければ直ちに低温燃焼が開始されないからである。第二の理由は第一の運転領域Ｉと第二の運転領域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。
【００４２】
ところで機関の運転領域が第一の運転領域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また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２５により良好に酸化せしめられる。後述するように二つの空燃比センサを用いて空燃比をフィードバック制御する場合には触媒２５として三元触媒を使用することが好ましい。
【００４３】
しかしながら触媒２５として酸化触媒、またはＮＯ_x吸収剤を用いることもできる。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。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。酸化触媒はもとより、ＮＯ_x吸収剤も酸化機能を有する。
【００４４】
図８は空燃比センサ２７ａ、２７ｂの出力を示している。図８に示したように空燃比センサの出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。したがって空燃比センサの出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
次に図９を参照しつつ第一の運転領域Ｉおよび第二の運転領域IIにおける運転制御について概略的に説明する。図９は要求負荷Ｌに対するスロットル弁２０の開度、ＥＧＲ制御弁３１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に示したように要求負荷Ｌの低い第一の運転領域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、ＥＧＲ制御弁３１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９に示した例では第一の運転領域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。
【００４５】
言い換えると第一の運転領域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ＥＧＲ制御弁３１の開度が制御される。また第一の運転領域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。
【００４６】
なおアイドリング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。すなわ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２０が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００４７】
一方、機関の運転状態が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域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に示した例では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。すなわちＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図５参照）を飛び越えるので機関の運転状態が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域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。
【００４８】
第二の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この第二の運転領域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、ＥＧＲ制御弁３１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。また第二の運転領域IIでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００４９】
図１０（Ａ）は第一の運転領域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で示した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）に示したように第一の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、さらに第一の運転領域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。
【００５０】
すなわち要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少くなる。したがって要求負荷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、したがって図１０（Ａ）に示したように要求負荷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、したが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目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
なお図１０（Ａ）に示した目標空燃比Ａ／Ｆは図１０（Ｂ）に示したように要求負荷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）に示した目標空燃比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）に示したように要求負荷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）に示した目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが図１１（Ｂ）に示したように要求負荷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。
【００５１】
図１２（Ａ）は第二の燃焼、すなわ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で示した各曲線は夫々目標空燃比２４，３５，４５，６０を示している。図１２（Ａ）に示した目標空燃比Ａ／Ｆは図１２（Ｂ）に示したように要求負荷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）に示した目標空燃比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）に示したように要求負荷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）に示した目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが図１３（Ｂ）に示したように要求負荷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。
【００５２】
また第二の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に示したように要求負荷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。
次に図１５を参照して本実施例の内燃機関の基本的な運転制御について説明する。図１５を参照すると初めにステップ１００において内燃機関の運転状態が第一の運転領域Ｉにあることを示したフラグがセットされているか否かが判別される。ステップ１００においてフラグがセットされていると判別されたとき、すなわち内燃機関の運転状態が第一の運転状態Ｉにあるときにはステップ１０１に進んで機関要求負荷Ｌが第一の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなった（Ｌ＞Ｘ（Ｎ））か否かが判別される。
【００５３】
ステップ１０１においてＬ≦Ｘ（Ｎ）であると判別されたときにはステップ１０３に進んで運転制御Ｉ（すなわち第一の燃焼）が実行される。すなわちステップ１０３では図１１（Ａ）に示した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、図１１（Ｂ）に示したマップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされ、図１０（Ｂ）に示したマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出され、空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆとなるように質量流量検出器２１により検出された吸入空気量Ｇａに基づいて後述する燃料噴射量算出方法に従って目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射弁６からこの目標燃料噴射量Ｑの燃料が噴射される。
【００５４】
ステップ１０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）であると判別されたときにはステップ１０２に進んでフラグがリセットされ、次いでステップ１０６に進んで運転制御II（すなわち第二の燃焼）が実行される。すなわちステップ１０６では図１３（Ａ）に示した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、図１３（Ｂ）に示したマップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁３１の開度がこの目標開度ＳＥとされ、図１４に示したマップから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射弁６からこの目標燃料噴射量Ｑの燃料が噴射される。
【００５５】
次に第一の燃焼が行われているときにおける燃料噴射量算出方法について説明する。なお以下の説明において排気空燃比とは排気ガスの空燃比を意味し、排気ガスの空燃比とは燃焼室５に吸入された空気（機関排気通路に空気を供給することができるようにしたシステムでは機関排気通路に供給された空気を含む。）の量に対する燃焼室５に供給された燃料（機関排気通路に燃料を供給することができるようにしたシステムでは機関排気通路に供給された燃料を含む。）の比を意味する。
【００５６】
上流側空燃比センサ２７ａにおいて排気空燃比が目標空燃比よりもリーンであることが検出されたときには空燃比が目標空燃比よりもリーンであるので燃料噴射量を徐々に増大し、空燃比が目標空燃比に近づくようにする。一方、上流側空燃比センサ２７ａにおいて排気空燃比が目標空燃比よりもリッチであることが検出されたときには空燃比が目標空燃比よりもリッチであるので燃料噴射量を徐々に減少し、空燃比が目標空燃比に近づくようにする。
【００５７】
さらに空燃比を全体として目標空燃比に維持するためには空燃比が目標空燃比からずれたことが検出されたときにそのずれている空燃比をできるだけ迅速に目標空燃比に近づけることが好ましい。そこで本実施例では上流側空燃比センサ２７ａにおいて空燃比が目標空燃比よりもリーンからリッチに変わったことが検出されたときに減少すべき燃料噴射量と、空燃比が目標空燃比よりもリッチからリーンに変わったことが検出されたときに増大すべき燃料噴射量とを下流側空燃比センサ２７ｂの出力値に基づいて補正する。
【００５８】
すなわち下流側空燃比センサ２７ｂにおいて理論空燃比よりもリーンが出力されている期間（以下、リーン出力期間）が長いほど上流側空燃比センサ２７ａにおいて空燃比が目標空燃比よりもリッチからリーンに変わったことが検出されたときに増大すべき燃料噴射量を大きくする。なぜならばリーン出力期間が長いほど空燃比は目標空燃比から大きくリーン側にずれているからである。すなわち三元触媒から流出する排気ガスの空燃比は三元触媒の酸素吸放出能力により理論的には理論空燃比となるはずである。それでもなおリーン出力期間が長く出力される場合とは三元触媒が吸収することができないほどの酸素が三元触媒に供給されている場合、すなわち空燃比が目標空燃比よりもリーン側に大きくずれている場合である。
【００５９】
一方、下流側空燃比センサ２７ｂにおいてリッチが出力されている期間（以下、リッチ出力期間）が長いほど上流側空燃比センサ２７ａにおいて空燃比が目標空燃比よりもリーンからリッチに変わったことが検出されたときに減少すべき燃料噴射量を大きくする。なぜならばリッチ出力期間が長いほど空燃比は目標空燃比から大きくリッチ側にずれているからである。すなわち三元触媒から流出する排気ガスの空燃比は三元触媒の酸素吸放出能力により理論的には理論空燃比となるはずである。それでもなおリッチ出力期間が長く出力される場合とは三元触媒に吸収されている酸素が全て放出されるほど三元触媒に供給される酸素が少ない場合、すなわち空燃比が目標空燃比よりもリッチ側に大きくずれている場合である。
【００６０】
本発明によればこのように空燃比を制御することにより空燃比を全体として目標空燃比に維持することができる。
次に上述した本発明の燃料噴射量算出方法を用いた燃料噴射制御の一例を図１６〜図１８を参照して説明する。なおこれら図１６〜図１８のフローチャートは空燃比を理論空燃比に制御する場合を示している。
【００６１】
図１６は目標燃料噴射量の燃料噴射するために必要な燃料噴射弁の開弁時間ＴＡＵを算出するためのフローチャートである。図１６では初めにステップ２００において単位機関回転数当たりの吸入空気量Ｇａ／Ｎが算出され、次いでステップ２０１において基本燃料噴射時間ＴＡＵＰが式ＴＡＵＰ＝α×Ｇａ／Ｎにしたがって算出される。ここで基本燃料噴射時間ＴＡＵＰは燃焼室５内に供給される燃料と空気との混合気を目標空燃比とするのに必要な燃料噴射時間であり、αは定数である。
【００６２】
次いでステップ２０２において実際の燃料噴射時間ＴＡＵが式ＴＡＵ＝ＴＡＵＰ×ＦＡＦ×β×γに従って算出される。ここでＦＡＦは後述するフローチャートに従って算出される空燃比補正係数であり、β，γはそれぞれ機関運転状態に応じて決まる定数である。次いでステップ２０３において燃料噴射時間ＴＡＵがセットされ、この燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料噴射弁６が開弁せしめられ、燃料噴射時間ＴＡＵに応じた量の燃料が燃料噴射弁６から噴射される。
【００６３】
図１７には図１６において使用される空燃比補正係数ＦＡＦを算出するためのフローチャートを示した。図１７を参照すると初めにステップ３００において空燃比フィードバック制御が実行されている（Ｆ／Ｂ中）であるか否か、すなわち空燃比フィードバック制御を実行することができる条件（以下、フィードバック実行条件）が成立しているか否かが判別される。ここでフィードバック実行条件とは例えば空燃比センサが活性化していること、内燃機関の暖機が完了していること、一時的に燃料の噴射を停止する燃料カット処理を解除してから所定時間が経過していることなどである。ステップ３００においてＦ／Ｂ中であると判別されたときにはステップ３０１に進んで上流側空燃比センサ２７ａの出力電流ＩＯＭが理論空燃比に相当する基準出力値Ｉ_R1以下である（ＩＯＭ≦Ｉ_R1）か否かが判別される。すなわち触媒２５に流入する排気ガスの空燃比（以下、流入排気空燃比）が理論空燃比よりもリーンであるか否かが判別される。
【００６４】
ステップ３０１においてＩＯＭ≦Ｉ_R1であると判別されたときにはステップ３０２に進んで流入排気空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーンに反転したところか否かが判別される。ステップ３０２において流入排気空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーンに反転したところであると判別されたときにはステップ３０３に進んで空燃比補正係数ＦＡＦをスキップ増大量ＲＳＲだけ比較的大きくスキップ的に増大する。一方、ステップ３０２において流入排気空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーンに反転したところではない、すなわち流入排気空燃比が既にリーンであったと判別されたときにはステップ３０５に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを定数ＫＩＲだけ比較的小さく増大する。これによれば流入排気空燃比が理論空燃比よりもリッチからリーンとなった直後にスキップ的に流入排気空燃比のリーン度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが増大せしめられ、その後は流入排気空燃比のリーン度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが増大せしめられる。
【００６５】
ステップ３０１においてＩＯＭ≧Ｉ_R1であると判別されたときにはステップ３０６に進んで流入排気空燃比が理論空燃比よりもリーンからリッチに反転したところか否かが判別される。ステップ３０６において流入排気空燃比が理論空燃比よりもリーンからリッチに反転したところであると判別されたときにはステップ３０７に進んで空燃比補正係数ＦＡＦをスキップ減少量ＲＳＬだけ比較的大きくスキップ的に減少する。一方、ステップ３０６において流入排気空燃比が理論空燃比よりもリーンからリッチに反転したところではない、すなわち流入排気空燃比が既にリーンであったと判別されたときにはステップ３０８に進んで空燃比補正係数ＦＡＦを定数ＫＩＬだけ比較的小さく減少する。これによれば流入排気空燃比が理論空燃比よりもリーンからリッチとなった直後にスキップ的に流入排気空燃比のリッチ度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが減少せしめられ、その後は流入排気空燃比のリッチ度合が小さくなるように空燃比補正係数ＦＡＦが減少せしめられる。
【００６６】
なおステップ３０４では空燃比補正係数ＦＡＦがその許容最小値と許容最大値との間となるように空燃比補正係数ＦＡＦをガード処理する。
図１８には図１７のフローチャートにて使用されるスキップ増大量ＲＳＲとスキップ減少量ＲＳＬとを算出するためのフローチャートを示した。図１８を参照すると初めにステップ４００においてＦ／Ｂ中であるか否かが判別される。ここでのフィードバック実行条件は図１７での条件に加えて内燃機関がアイドル運転中でないことが条件とされる。ステップ４００においてＦ／Ｂ中であると判別されたときにはステップ４０１に進んで下流側空燃比センサ２７ｂの出力電流ＩＯＳが理論空燃比に相当する出力値Ｉ_R2以下である（ＩＯＳ≦Ｉ_R2）か否かが判別される。すなわち触媒２５から流出する排気ガスの空燃比（以下、流出排気空燃比）が理論空燃比よりもリーンであるか否かが判別される。ステップ４０１においてＩＯＳ≦Ｉ_R2であると判別されたときにはステップ４０２に進んでスキップ増大量ＲＳＲが所定量ΔＲＳだけ増大せしめられる。一方、ステップ４０１においてＩＯＳ＞Ｉ_R2であると判別されたときにはステップ４０５に進んでスキップ増大量ＲＳＲが所定量ΔＲＳだけ減少せしめられる。
【００６７】
ステップ４０３ではスキップ増大量ＲＳＲがその許容最小値と許容最大値との間になるようにスキップ増大量ＲＳＲがガードせしめられ、ステップ４０４に進んで０．１からスキップ増大量ＲＳＲを引いてスキップ減少量ＲＳＬが算出される。
なお目標空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比とした場合には上述したフローチャートのＩ_R1をＩ_R1＋ｋとし、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチとした場合にはＩ_R1をＩ_R1−ｋとして上記フローチャートを実行すれば空燃比を理論空燃比とは異なる空燃比に制御することができる。ここでｋは理論空燃比に対する目標空燃比のリーン度合、或いはリッチ度合に応じて定まる正の値である。
【００６８】
ところで最近の研究により上述した第一の燃焼が行われているときに空燃比が理論空燃比よりもリッチとなると一部の燃料が完全には燃焼せずにメタンとして残ることが判明した。このように燃料が完全には燃焼しないと燃焼に使用される酸素量が減り、排気ガス中の酸素濃度（以下、排気酸素濃度）は燃料が完全に燃焼したときの排気酸素濃度に比べて大きくなる。このため第一の燃焼が行われている間に空燃比が理論空燃比よりもリッチとなったとき（以下、第一燃焼・リッチ運転時）に空燃比センサから出力される出力電流値は第一燃焼・リッチ運転時以外において空燃比センサから出力される出力電流値よりも大きくなる。すなわち空燃比センサの出力電流値Ｉに相当する空燃比は図１９の鎖線で示したように真の空燃比よりもリーン側にずれている。このように図８の実線（図１９の実線）で示した関係に従った真の空燃比に相当する出力電流値Ｉよりもリーン側にずれた空燃比センサの出力電流値Ｉに基づいて空燃比をフィードバック制御しても当然のことながら空燃比を目標空燃比に制御することはできない。
【００６９】
そこで本発明では第一燃焼・リッチ運転時には空燃比センサの出力電流値Ｉをそれに対応した予め定められた量だけ小さくなるように補正し、当該補正後の出力電流値に基づいて図８に示した関係に従って空燃比を把握し、斯くして把握された空燃比に基づいて上述した空燃比フィードバック制御を実行するようにする。これによれば第一燃焼・リッチ運転時においても空燃比センサにより提供される空燃比が実際の空燃比を表すことになるので空燃比を正確に目標空燃比に制御することができる。
【００７０】
また本発明の別の考え方では第一燃焼・リッチ運転時には空燃比センサの出力電流値Ｉに基づいて図１９に鎖線で示した関係に従って空燃比を把握し、斯くして把握された空燃比に基づいて上述した空燃比フィードバック制御を実行するようにする。すなわち図１９の鎖線で示した関係によれば空燃比センサが出力可能な電流値範囲全体に亘ってその出力電流値Ｉに対応する空燃比が図８の実線（図１９の実線）で示した関係に従って算出される空燃比よりも小さく算出されるように、すなわちリッチ側にずれて算出されるように補正される。これによれば第一燃焼・リッチ運転時であっても空燃比センサにより提供される空燃比が実際の空燃比を表すことになるので空燃比を正確に目標空燃比に制御することができる。
【００７１】
さらにこのように空燃比センサの出力電流値を利用して空燃比を算出することにより空燃比センサの検出可能な空燃比範囲がリッチ側に広くなる。すなわち空燃比センサはよりリッチ度合の大きな空燃比をも検出することができる。このため目標空燃比がリッチ度合の大きな空燃比であっても空燃比をその目標空燃比に正確に制御することができる。このことは排気ガス中の硫黄成分Ｓによる触媒２５の被毒を回復させる硫黄被毒回復処理を行う場面や触媒２５がＮＯ_x吸収剤を具備する場合にはＮＯ_xをＮＯ_x吸収剤から放出させて還元するＮＯ_x放出還元処理を行う場面のように排気空燃比をリッチにする場面で利点がある。なぜならばこうした場面では以下の二つの点を考慮して上記処理を行わなければならず、このことは空燃比センサがよりリッチ度合の大きな空燃比を検出することができることで達成されるからである。
【００７２】
すなわち一つ目の考慮点は上記二つの処理は機関運転を良好ならしめるのに直接必要不可欠な処理ではなく触媒２５の浄化作用維持のために行われる処理であるので機関運転を良好ならしめるという観点では上記二つの処理を実行する期間、すなわち排気空燃比をリッチとする期間は短いほどよいという点であり、二つ目の考慮点は硫黄被毒回復やＮＯ_x放出還元のために最小限必要な量以上の燃料を触媒２５に供給しても一部の燃料は触媒２５にて消費されずに無駄となることから高い燃費を維持するという観点では上記二つの処理において最小限必要な量の燃料のみを供給することが好ましいという点である。そしてこれら二つの考慮点を同時に満足するためには必要最小限の燃料をできるだけ短時間にて触媒２５に供給する必要がある。このためには排気空燃比をより大きくリッチとするとともに排気空燃比を正確に目標とするリッチ空燃比に制御しなければならない。このことは空燃比センサの検出可能範囲をよりリッチ側に広くした本発明により達成することができる。斯くして本発明によれば硫黄被毒回復処理やＮＯ_x放出還元処理を実行するときに機関運転を良好なものに維持しつつ且つ高い燃費を確保することができる。
【００７３】
また本発明では上述したように第一燃焼・リッチ運転時に空燃比センサにより表示される空燃比が実際の空燃比よりもリーン側にずれる現象を利用して触媒２５の硫黄被毒の回復完了時期を以下のようにして判定する。すなわち図２０（Ａ）に示したように触媒２５の硫黄被毒を回復する前段階（時刻ｔ₁より前）、すなわち第一燃焼・リッチ運転時以外において、或いは第二の燃焼が行われているときにおいては上流側空燃比センサ２７ａの出力電流値は真の空燃比に対応しており、また下流側空燃比センサ２７ｂの出力電流値も真の空燃比に対応しており、したがって真の空燃比に相当する出力電流値に対するこれら空燃比センサの出力電流値のリーン側へのずれ量（以下、リーン側ずれ電流量）ΔＩは共に略等しく零である。
【００７４】
ここで触媒２５の硫黄被毒を回復させるべく第一燃焼・リッチ運転が行われると上流側空燃比センサ２７ａのリーン側ずれ電流量ΔＩは図２０（Ａ）の実線で示したように大きくなる。しかしながら下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩは図２０（Ａ）の一点鎖線で示したように殆ど変わらず略零である。なぜならば触媒２５に流入する排気酸素濃度は大きくなっているが排気ガス中の酸素およびメタンが触媒２５の硫黄被毒回復反応のために消費され、したがって触媒２５から流出する排気酸素濃度は第一燃焼・リッチ運転が行われていないときの排気酸素濃度と変わらないからである。そして触媒２５の硫黄被毒回復反応が継続している限り下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩは略零であり、触媒２５の硫黄被毒回復反応が終了すると排気ガス中の酸素やメタンが消費されなくなるので下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩも増大して上流側空燃比センサ２７ａのリーン側ずれ電流量ΔＩと略等しくなる（時刻ｔ₂）。そこで下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩが予め定められた値を越えたとき（例えば上流側空燃比センサ２７ａのリーン側ずれ電流量ΔＩの７０パーセントの値）に触媒２５の硫黄被毒の回復が完了したと判断し、リッチ運転を終了する。
【００７５】
また本発明では上述したように第一燃焼・リッチ運転時に空燃比センサにより表示される空燃比が実際の空燃比よりもリーン側にずれる現象を利用して触媒２５の劣化を以下のようにして診断する。すなわち図２０（Ｂ）に示したように触媒２５が劣化していると硫黄被毒が回復すべく空燃比をリッチとしたとき（時刻ｔ₁）においても触媒２５において少量の酸素しか硫黄被毒を回復するためには消費されず、したがって下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩが零のままに維持されず、図２０（Ｂ）の一点鎖線で示したように例えば上流側空燃比センサ２７ａのリーン側ずれ電流量ΔＩの５０パーセント程度にまで上昇する。そこで触媒２５の硫黄被毒を回復すべく空燃比をリッチとしたときに下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩが或る程度まで上昇したときには触媒２５が劣化していると診断する。
【００７６】
また上述したように本発明では第一の燃焼が行われているときには図１１（Ｂ）に示したマップからＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥを算出するようにしているが、これに代えて以下のようにしてＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥを算出するようにしてもよい。すなわち上流側空燃比センサ２７ａの出力に基づいてＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥを算出し、下流側空燃比センサ２７ｂの出力に基づいて上記目標開度ＳＥを補正するようにする。このとき下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩが所定量、或いは所定量以上に維持されるように目標開度ＳＥを補正する。ここでリーン側ずれ電流量ΔＩが所定量以上であるということは十分な量のＥＧＲガスが燃焼室５内に再循環せしめられ、ＮＯ_x発生量および煤の発生量共に少ないことを意味する。すなわち本実施例のように下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩが所定量以上に維持されるようにＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥを補正すればＮＯ_x発生量および煤の発生量を極めて少なく抑えることができる。
【００７７】
また本発明ではこのように下流側空燃比センサ２７ｂのリーン側ずれ電流量ΔＩが所定量以上になるようにＥＧＲ制御弁３１の目標開度ＳＥを補正する場合においてその補正量が所定量よりも大きくなったときには触媒２５が劣化していると診断する。ここで補正量が所定量よりも大きくなることは触媒２５の酸素吸収能力が低下し、すなわち触媒２５が劣化し、したがって触媒２５にて消費される酸素量が低下し、このため多量の酸素が触媒２５から流出していることを意味する。したがって補正量が所定量よりも大きくなったことから触媒２５が劣化していると診断することができる。
【００７８】
なお本発明において空燃比が理論空燃比よりもリッチとなったことは例えば目標空燃比が理論空燃比よりもリッチとされたこと、或いは空燃比センサの出力電流値が理論空燃比よりもリッチな空燃比に相当する値となったことなどから判断する。
また第一燃焼・リッチ運転時において空燃比センサの出力電流値Ｉに基づいて図１９の鎖線を平行移動させた図１９の一点鎖線で示した関係に従って空燃比を把握し、斯くして把握された空燃比に基づいて上述した空燃比フィードバック制御を実行するようにする。すなわち図１９の一点鎖線で示した関係によれば空燃比センサが出力可能な電流値範囲全体に亘ってその出力電流値Ｉに対応する空燃比が図８の実線（図１９の実線）で示した関係に従って算出される空燃比よりも大きく算出されるように、すなわちリーン側にずれて算出されるように補正される。これによれば第一燃焼・リッチ運転時であっても空燃比センサにより提供される空燃比が実際の空燃比を表すことになるので空燃比を正確に目標空燃比に制御することができる。
【００７９】
さらにこのように空燃比センサの出力電流値を利用して空燃比を算出することにより空燃比センサの検出可能な空燃比範囲がリーン側に広くなる。すなわち空燃比センサはよりリーン度合の大きな空燃比をも検出することができる。このため目標空燃比がリーン度合の大きな空燃比であっても空燃比をその目標空燃比に正確に制御することができる。このことは例えば第二の燃焼が行われているときに空燃比をリーン度合の大きな空燃比とすべき場面において正確に空燃比を目標空燃比とすることができるという利点がある。
【００８０】
【発明の効果】
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一の燃焼が行われているときに空燃比がリッチとなったときには空燃比センサの出力値を補正する出力値補正処理を実行する。したがって第一の燃焼が行われている間に空燃比がリッチとなったときには空燃比センサの出力値を補正し、当該補正された出力値に基づいて空燃比をフィードバック制御する。第一の燃焼が行われているときに空燃比がリッチとなると空燃比センサが出力する出力値は実際の空燃比に対応しなくなり、空燃比が目標空燃比に制御されないが本発明に従って空燃比センサの出力値を補正し、当該補正された出力値に基づいて空燃比をフィードバック制御すれば空燃比を正確に目標空燃比に制御することができる。
【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】第一の運転領域Ｉおよび第二の運転領域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】第一の運転領域Ｉにおける空燃比等を示す図である。
【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】第二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】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１６】燃料噴射弁の開弁時間を算出するためのフローチャートである。
【図１７】空燃比補正係数を算出するためのフローチャートである。
【図１８】スキップ増大量およびスキップ減少量を算出するためのフローチャートである。
【図１９】空燃比センサの出力を示す図である。
【図２０】排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理実行時における空燃比センサの出力変化を示す図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１５…排気ターボチャージャ
２０…スロットル弁
２７ａ…上流側空燃比センサ
２７ｂ…下流側空燃比センサ
２９…ＥＧＲ通路
３１…ＥＧＲ制御弁

Claims

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さら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度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が多く煤がほとんど発生しない第一の燃焼と、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少ない第二の燃焼とを選択的に切り換える切換手段と、空燃比を検出するために機関排気通路に配置された空燃比センサと、第一の燃焼が行われているときに空燃比が目標空燃比となるように空燃比センサの出力値に基づいて空燃比をフィードバック制御するための制御手段とを具備し、第一の燃焼が行われている間に空燃比がリッチとなったときに空燃比センサの出力値を補正する出力値補正処理を実行するようにしたことを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
上記出力値補正処理において空燃比がリッチであるほど上記空燃比センサの出力値が小さくなるように空燃比センサの出力値を補正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の運転制御装置。
上記出力値補正処理において空燃比センサの出力可能範囲全体に亘って出力値が小さくなるように空燃比センサの出力値を補正するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の運転制御装置。
上記空燃比センサの下流側に排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒の下流側に上記空燃比センサとは別個に空燃比センサを配置し、第一の燃焼が行われているときに該排気浄化触媒の上流側の空燃比センサの出力値に対応する再循環排気ガス量になるように上記再循環排気ガス量を制御するとともに該排気浄化触媒の下流側の空燃比センサの出力値に対する補正量に基づいて上記再循環排気ガス量を補正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の運転制御装置。
上記再循環排気ガス量に対する補正量が予め定められた量よりも多くなったときには上記排気浄化触媒が劣化していると診断することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の運転制御装置。