JP3552673B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの排気ガス中には煤を主成分とするパティキュレートが含まれている。パティキュレートは有害物質であるために、大気放出以前にパティキュレートを捕集するためのフィルタを機関排気系に配置することが提案されている。このようなフィルタは、目詰まりによる排気抵抗の増加を防止するために、捕集したパティキュレートを焼失させることが必要である。
【0003】
このようなフィルタ再生において、パティキュレートは約600°Cとなれば着火燃焼するが、ディーゼルエンジンの排気ガス温度は、通常時において600°Cよりかなり低く、通常はフィルタ自身を加熱する等の手段が必要である。
【0004】
特公平7−106290号公報には、白金族金属とアルカリ土金属酸化物とをフィルタに担持させれば、フィルタ上のパティキュレートは、ディーゼルエンジンの通常時の排気ガス温度である約400°Cで連続的に焼失することが開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このフィルタを使用しても、常に排気ガス温度が400°C程度となっているとは限らず、また、運転状態によってはディーゼルエンジンから多量のパティキュレートが放出されることもあり、各時間で焼失できなかったパティキュレートがフィルタ上に徐々に堆積することがある。
【0006】
このフィルタにおいて、ある程度パティキュレートが堆積すると、パティキュレート焼失能力が極端に低下するために、もはや自身でフィルタを再生することはできない。このように、この種のフィルタを単に機関排気系に配置しただけでは、比較的早期に目詰まりが発生して機関出力の大幅低下がもたらされることがある。
【0007】
従って、本発明の目的は、パティキュレートフィルタにおける捕集パティキュレートによる目詰まりを防止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタを排気ガスがバイパスすることを可能とするバイパス通路とを具備し、前記パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、前記パティキュレートフィルタは前記パティキュレートフィルタの温度に依存した酸化除去可能微粒子量を有し、現在必要とされる前記パティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量をもたらす前記パティキュレートフィルタの最低温度を算出し、現在の前記パティキュレートフィルタの温度、排気ガス量、及び排気ガス温度に基づき前記パティキュレートフィルタの温度変化量を算出し、現在の前記パティキュレートフィルタの温度に前記温度変化量を加えた結果が前記最低温度を下回る時には、排気ガスの少なくとも一部を前記バイパス通路によってバイパスさせることを特徴とする。
【0009】
また、本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする。
【0010】
また、本発明による請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする。
【0011】
また、本発明による請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとNOを酸素と結合させて保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると結合させたNO及び酸素をNOと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする。
【0023】
また、本発明による請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1からのいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記バイパス通路によって排気ガスの少なくとも一部をバイパスさせる時に前記パティキュレートフィルタへ酸素を供給することを特徴とする。
【0024】
また、本発明による請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1からのいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタは酸化機能を有し、バイパス通路によって排気ガスの少なくとも一部をバイパスさせる時に前記パティキュレートフィルタへ還元剤を供給することを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明による排気浄化装置を備える4ストロークディーゼルエンジンの概略縦断面図を示しており、図2は図1のディーゼルエンジンにおける燃焼室の拡大縦断面図であり、図3は図1のディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図である。図1から図3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、5aはピストン4の頂面上に形成されたキャビティ、5はキャビティ5a内に形成された燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は一対の吸気弁、8は吸気ポート、9は一対の排気弁、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内には電気モータ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へ接続される。
【0026】
図1に示されるように排気マニホルド17内には空燃比センサ21が配置される。排気マニホルド17とサージタンク12とはEGR通路22を介して互いに連結され、EGR通路22内には電気制御式EGR制御弁23が配置される。また、EGR通路22回りにはEGR通路22内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置24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装置24内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0027】
一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管25を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール26に連結される。このコモンレール26内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ27から燃料が供給され、コモンレール26内に供給された燃料は各燃料供給管25を介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール26にはコモンレール26内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ28が取付けられ、燃料圧センサ28の出力信号に基づいてコモンレール26内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ27の吐出量が制御される。
【0028】
30は電子制御ユニットであり、空燃比センサ21の出力信号と、燃料圧センサ28の出力信号とが入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40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41が接続され、電子制御ユニット30には、負荷センサ41の出力信号も入力され、さらに、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42の出力信号も入力される。こうして、電子制御ユニット30は、各種信号に基づき、燃料噴射弁6、電気モータ15、EGR制御弁23、及び、燃料ポンプ27を作動する。
【0029】
図2及び図3に示されるように本発明による実施例では燃料噴射弁6が6個のノズル口を有するホールノズルからなり、燃料噴射弁6のノズル口からは水平面に対しやや下向きに等角度間隔でもって燃料Fが噴射される。図3に示されるように6個の燃料噴霧Fのうちで2個の燃料噴霧Fは各排気弁9の弁体の下側面に沿って飛散する。図2及び図3は圧縮行程末期に燃料噴射が行われた時を示している。この時には燃料噴霧Fはキャビティ5aの内周面に向けて進み、次いで着火燃焼せしめられる。
【0030】
図4は排気行程中において排気弁9のリフト量が最大の時に燃料噴射弁6から追加の燃料が噴射された場合を示している。即ち、図5に示されるように圧縮上死点付近において主噴射Qmが行われ、次いで排気行程の中ほどで追加の燃料Qaが噴射された場合を示している。この場合、排気弁9の弁体方向に進む燃料噴霧Fは排気弁9の傘部背面と排気ポート10との間に向かう。即ち、云い換えると燃料噴射弁6の6個のノズル口のうちで2個のノズル口は、排気弁9が開弁している時に追加の燃料Qaの噴射が行われると燃料噴霧Fが排気弁9の傘部背面と排気ポート10との間に向かうように形成されている。なお、図4に示す実施例ではこの時に燃料噴霧Fが排気弁9の傘部背面に衝突し、排気弁9の傘部背面に衝突した燃料噴霧Fは排気弁9の傘部背面上において反射し、排気ポート10内に向かう。
【0031】
なお通常は追加の燃料Qaは噴射されず、主噴射Qmのみが行われる。図6は機関低負荷運転時においてスロットル弁16の開度及びEGR率を変化させることにより空燃比A/F(図6の横軸)を変化させたときの出力トルクの変化、及びスモーク、HC、CO、NOの排出量の変化を示す実験例を表している。図6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。
【0032】
図6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程度になった時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。この時に機関の出力トルクは若干低下し、またNOの発生量がかなり低くなる。一方、この時にHC及びCOの発生量は増大し始める。
【0033】
図7(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時の燃焼室5内の燃焼圧変化を示しており、図7(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時の燃焼室5内における燃焼圧の変化を示している。図7(A)と図7(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7(B)に示す場合はスモークの発生量が多い図7(A)に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【0034】
図6及び図7に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第1に空燃比A/Fが15.0以下でスモークの発生量がほぼ零の時には図6に示されるようにNOの発生量がかなり低下する。NO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時には燃焼室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7からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図7(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこの時に燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0035】
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6に示されるようにHC及び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8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8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6に示される如くHC及びCOの排出量が増大するがこの時のHCは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【0036】
図6及び図7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時には煤の発生量がほぼ零になり、この時には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内における燃料及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内における燃料及びその周囲の温度が或る温度以下になると煤が生成されることが判明したのである。
【0037】
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時の燃料及びその周囲の温度、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及びその周囲のガス温度は低下し、NOの発生量が低下する。この時においてNOの発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になった時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の発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になった時の温度にほぼ一致する。
【0038】
一旦、煤が生成されるとこの煤は単に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、NOの発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室5から排出させることは排気ガスの浄化に極めて有効である。
【0039】
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及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、燃料及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回りにおける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。
【0040】
即ち、燃料回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、燃料回りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、この時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。
【0041】
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回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。
【0042】
この場合、燃料及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は強力となり、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、CO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。
【0043】
図9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9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°C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。
【0044】
図9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9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。
【0045】
また、図9の曲線Cで示されるようにEGRガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が55パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図9は機関負荷が比較的高い時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。
【0046】
図10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及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、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及びこの混合ガス中のEGRガスの割合を示している。なお、図10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時に燃焼室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。
【0047】
図10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10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10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時に燃料及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10に示す実施例では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図10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10に示すような割合にすると燃料及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、この時のNO発生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってNOの発生量は極めて少量となる。
【0048】
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及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10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。
【0049】
一方、図10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ガス及び吸入空気の双方、或いはEGR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。
【0050】
前述したように図10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10に示される低負荷運転領域Z1において空気量を図10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10に示される低負荷領域Z1において空気量を図10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の発生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【0051】
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、この時にはNO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時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も極めて少量しか発生しない。
【0052】
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、この時の平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0053】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料及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。従って本発明による実施例では機関負荷が比較的低い時には燃焼時の燃料及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二燃焼、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、ここで第一燃焼、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最大となる最悪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最大となる最悪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言う。
【0054】
図11は第一燃焼、即ち低温燃焼が行われる第1の運転領域Iと、第二燃焼、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11において縦軸Lはアクセルペダル40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11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。
【0055】
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時に要求負荷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。
【0056】
図12は空燃比センサ21の出力を示している。図12に示されるように空燃比センサ21の出力電流Iは空燃比A/Fに応じて変化する。従って空燃比センサ21の出力電流Iから空燃比を知ることができる。次に図13を参照しつつ第1の運転領域I及び第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13は要求負荷Lに対するスロットル弁16の開度、EGR制御弁23の開度、EGR率、空燃比、噴射時期及び噴射量を示している。図13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23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13に示される例では第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【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の開度及びEGR制御弁23の開度が制御される。なお、この時の空燃比は空燃比センサ21の出力信号に基づいてEGR制御弁23の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。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、この時にはEGR制御弁23も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁16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の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめられる。この時に図13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9)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及びNO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13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。
【0062】
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23の開度は要求負荷Lが高くなると次第に小さくされる。この運転領域IIではEGR率は要求負荷Lが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Lが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Lが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第2の運転領域IIでは噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
【0063】
図14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14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である時を示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図14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。
【0064】
即ち、要求負荷Lが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。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14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。
【0065】
なお、空燃比を図14に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁16の目標開度STが図15(A)に示されるように要求負荷L及び機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM32内に記憶されており、空燃比を図14に示す目標空燃比とするのに必要なEGR制御弁23の目標開度SEが図15(B)に示されるように要求負荷L及び機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM32内に記憶されている。
【0066】
図16は第二燃焼、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16においてA/F=24、A/F=35、A/F=45、A/F=60で示される各曲線は夫々目標空燃比24、35、45、60を示している。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16の目標開度STが図17(A)に示されるように要求負荷L及び機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM32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23の目標開度SEが図17(B)に示されるように要求負荷L及び機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM32内に記憶されている。
【0067】
こうして、本実施例のディーゼルエンジンでは、アクセルペダル40の踏み込み量L及び機関回転数Nとに基づき、第一燃焼、すなわち、低温燃焼と、第二燃焼、すなわち、普通の燃焼とが切り換えられ、各燃焼において、アクセルペダル40の踏み込み量L及び機関回転数Nとに基づき、図15又は図17に示すマップによってスロットル弁16及びEGR弁の開度制御が実施される。
【0068】
図18は排気浄化装置を示す平面図であり、図19はその側面図である。本排気浄化装置は、排気マニホルド17の下流側に排気管18を介して接続された切換部71と、パティキュレートフィルタ70と、パティキュレートフィルタ70の一方側と切換部71とを接続する第一接続部72aと、パティキュレートフィルタ70の他方側と切換部71とを接続する第二接続部72bと、切換部71の下流側の排気通路73とを具備している。切換部71は、切換部71内で排気流れを遮断することを可能とする弁体71aを具備している。弁体71aは、負圧アクチュエータ又はステップモータ等によって駆動される。弁体71aの一方の遮断位置において、切換部71内の上流側が第一接続部72aと連通されると共に切換部71内の下流側が第二接続部72bと連通され、排気ガスは、図18に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ70の一方側から他方側へ流れる。
【0069】
また、図20は、弁体71aの他方の遮断位置を示している。この遮断位置において、切換部71内の上流側が第二接続部72bと連通されると共に切換部71内の下流側が第一接続部72aと連通され、排気ガスは、図20に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ70の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁体71aを切り換えることによって、パティキュレートフィルタ70へ流入する排気ガスの方向を逆転することができ、すなわち、パティキュレートフィルタ70の排気上流側と排気下流側とを逆転することが可能となる。
【0070】
このように、本排気浄化装置は、非常に簡単な構成によってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転することを可能とする。また、パティキュレートフィルタにおいては、排気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積が必要とされるが、本排気浄化装置では、図18及び19に示すように、車両搭載性を悪化させることなく、大きな開口面積を有するパティキュレートフィルタを使用可能である。
【0071】
また、図21は、弁体71aにおける二つの遮断位置の間の中間位置を示している。この中間位置においては、切換部71内は遮断されることがなく、排気ガスは、通過抵抗の高いパティキュレートフィルタ70を通過することなく、すなわち、図20に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ70をバイパスして直接的に排気通路72へ流れる。このように、弁体71aは、前述のアクチュエータによって任意の位置に開度制御可能となっている。しかしながら、通常は、一方の遮断位置とされて使用される。
【0072】
図22にパティキュレートフィルタ70の構造を示す。なお、図22において、(A)はパティキュレートフィルタ70の正面図であり、(B)は側面断面図である。これらの図に示すように、本パティキュレートフィルタ70は、長円正面形状を有し、例えば、コージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム構造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線方向に延在する隔壁54によって細分された多数の軸線方向空間を有している。隣接する二つの軸線方向空間において、栓53によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路50となり、他方は流出通路51となり、排気ガスは、図22(B)に矢印で示すように、必ず隔壁54を通過する。排気ガス中のパティキュレートは、隔壁54の細孔の大きさに比較して非常に小さいものであるが、隔壁54の排気上流側表面及び隔壁54内の細孔表面上に衝突して捕集される。こうして、各隔壁54は、パティキュレートを捕集する捕集壁として機能する。本パティキュレートフィルタ70において、捕集されたパティキュレートを酸化除去するために、隔壁54の両側表面上、及び、好ましくは隔壁54内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。
【0073】
活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。
【0074】
貴金属触媒としては、通常、白金Ptが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムYのような希土類、及び遷移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【0075】
なお、この場合、活性酸素放出剤としては、カルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましい。
【0076】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタによって、捕集されたパティキュレートがどのように酸化除去されるかについて、白金Pt及びカリウムKの場合を例にとって説明する。他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様なパティキュレート除去作用が行われる。
【0077】
ディーゼルエンジンでは通常空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路及び燃焼室内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると、この空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内ではNOが発生するので排気ガス中にはNOが含まれている。また、燃料中にはイオウSが含まれており、このイオウSは燃焼室内で酸素と反応してSOとなる。従って排気ガス中にはSOが含まれている。従って過剰酸素、NO及びSOを含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ70の排気上流側へ流入することになる。
【0078】
図23(A)及び(B)はパティキュレートフィルタ70における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表している。なお、図23(A)及び(B)において60は白金Ptの粒子を示しており、61はカリウムKを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【0079】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタの排ガス接触面内に接触すると、図23(A)に示されるようにこれら酸素OがO 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO 又はO2−と反応し、NOとなる(2NO+O→2NO)。次いで生成されたNOの一部は白金Pt上で酸化されつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら図23(A)に示されるように硝酸イオンNO の形で活性酸素放出剤61内に拡散し、硝酸カリウムKNOを生成する。このようにして、本実施例では、排気ガスに含まれるNOをパティキュレートフィルタ70に吸収し、大気中への放出量を大幅に減少させることができる。
【0080】
一方、上述したように排気ガス中にはSOも含まれており、このSOもNOと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤61内に吸収される。即ち、上述したように酸素OがO 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、排気ガス中のSOは白金Ptの表面でO 又はO2−と反応してSOとなる。次いで生成されたSOの一部は白金Pt上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら硫酸イオンSO 2−の形で活性酸素放出剤61内に拡散し、硫酸カリウムKSOを生成する。このようにして活性酸素放出触媒61内には硝酸カリウムKNO及び硫酸カリウムKSOが生成される。
【0081】
排気ガス中のパティキュレートは、図23(B)において62で示されるように、パティキュレートフィルタに担持された活性酸素放出剤61の表面上に付着する。この時、パティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤61内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤61内の酸素がパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤61内に形成されている硝酸カリウムKNOがカリウムKと酸素OとNOとに分解され、酸素Oがパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かい、NOが活性酸素放出剤61から外部に放出される。外部に放出されたNOは下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤61内に吸収される。
【0082】
一方、このとき活性酸素放出剤61内に形成されている硫酸カリウムKSOもカリウムKと酸素OとSOとに分解され、酸素Oがパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かい、SOが活性酸素放出剤61から外部に放出される。外部に放出されたSOは下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤61内に吸収される。但し、硫酸カリウムKSOは、安定化しているために、硝酸カリウムKNOに比べて活性酸素を放出し難い。
【0083】
一方、パティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かう酸素Oは硝酸カリウムKNOや硫酸カリウムKSOのような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Oは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従ってパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かう酸素は活性酸素Oとなっている。これら活性酸素Oがパティキュレート62に接触するとパティキュレート62は数分から数十分の短時間で輝炎を発することなく酸化せしめられる。また、パティキュレート62を酸化する活性酸素Oは、活性酸素放出剤61へNO及びSOが吸収される時にも放出される。すなわち、NOは酸素原子の結合及び分離を繰り返しつつ活性酸素放出剤61内において硝酸イオンNO の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。パティキュレート62はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、このようにパティキュレートフィルタ70上に付着したパティキュレート62は活性酸素Oによって酸化せしめられるがこれらパティキュレート62は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【0084】
ところで白金Pt及び活性酸素放出剤61はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤61から放出される活性酸素Oの量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易くなる。従ってパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。
【0085】
図24の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gを示しており、図24において横軸はパティキュレートフィルタの温度TFを示している。なお、図24は単位時間を1秒とした場合の、すなわち、1秒当たりの酸化除去可能微粒子量Gを示しているがこの単位時間としては、1分、10分等任意の時間を採用することができる。例えば、単位時間として10分を用いた場合には単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量Gは10分間当たりの酸化除去可能微粒子量Gを表すことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ70上において単位時間当たりに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gは図24に示されるようにパティキュレートフィルタ70の温度が高くなるほど増大する。
【0086】
さて、単位時間当りに燃焼室から排出されるパティキュレートの量を排出微粒子量Mと称するとこの排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少ないとき、例えば、1秒当たりの排出微粒子量Mが1秒当たりの酸化除去可能微粒子量Gよりも少ないとき、或いは10分当たりの排出微粒子量Mが10分当たりの酸化除去可能微粒子量Gよりも少ないとき、即ち図24の領域Iでは燃焼室から排出された全てのパティキュレートがパティキュレートフィルタ70上において輝炎を発することなく順次短時間のうちに酸化除去せしめられる。
【0087】
これに対し、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多いとき、即ち図24の領域IIでは全てのパティキュレートを順次酸化するには活性酸素量が不足している。図25(A)〜(C)はこのような場合におけるパティキュレートの酸化の様子を示している。
【0088】
即ち、全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している場合には図25(A)に示すようにパティキュレート62が活性酸素放出剤61上に付着するとパティキュレート62の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分がパティキュレートフィルタの排気上流側面上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかったパティキュレート部分が排気上流面上に残留し、その結果図25(B)に示されるようにパティキュレートフィルタの排気上流面が残留パティキュレート部分63によって覆われるようになる。
【0089】
このような残留パティキュレート部分63は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排気上流面が残留パティキュレート部分63によって覆われると白金PtによるNO,SOの酸化作用及び活性酸素放出剤61による活性酸素の放出作用が抑制される。それにより、時間を掛ければ徐々に残留パティキュレート部分63を酸化させることができるが、図25(C)に示されるように残留パティキュレート部分63の上に別のパティキュレート64が次から次へと堆積する。即ち、パティキュレートが積層状に堆積すると、これらパティキュレートは、白金Ptや活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキュレートであっても活性酸素によって酸化されることはない。従ってこのパティキュレート64上に更に別のパティキュレートが次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【0090】
このように図24の領域Iではパティキュレートはパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図24の領域IIではパティキュレートがパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する。従って、排出微粒子量Mと酸化除去可能微粒子量Gとの関係を領域Iにすれば、パティキュレートフィルタ上へのパティキュレートの堆積を防止することができる。その結果、パティキュレートフィルタ70における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。しかしながら、これが常に実現されるとは限らず、何もしなければパティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することがある。
【0091】
本実施例では、前述の電子制御ユニット30により図26に示す第一フローチャートに従って弁体71aの開度制御を実施し、パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止している。本フローチャートは所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ101において、パティキュレートフィルタの温度TFが検出される。この検出には、パティキュレートフィルタに温度センサを設けて直接的に検出する。また、機関始動から所定時間毎にパティキュレートフィルタに流入した排気ガス量及び排気ガス温度等に基づきパティキュレートフィルタの温度を算出するようにしても良い。次いで、負荷センサ41及びクランク角センサ42等を使用して現在の機関運転状態が把握される。本実施例のディーゼルエンジンの場合には、二つの燃焼方式のうちのいずれの燃焼方式が採用されているかも把握される。この運転状態の把握によって、排気ガス量、排気ガス温度、排気ガス中の酸素濃度、及び、排出微粒子量等を推定することが可能である。
【0092】
次いで、ステップ103において、排気ガス中の酸素濃度及び排出微粒子量等に基づき現在必要とされるパティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量が算出され、この酸化除去可能微粒子量をもたらすパティキュレートフィルタの最低温度TFtが算出される。ステップ104では、現在のパティキュレートフィルタの温度TF、排気ガス量、及び、排気ガス温度等に基づき、パティキュレートフィルタの温度変化量dTFが算出される。
【0093】
次いで、ステップ105では、パティキュレートフィルタにおいて、現在の温度TFに温度変化量dTFが加えられ、その結果が最低温度TFtを上回るか否かが判断される。例えば、パティキュレートフィルタの現在の温度TFがかなり高く、排気ガス温度が、この温度TFより低くてパティキュレートフィルタの温度を低下させる場合でも、ステップ105における判断が肯定されるならば、特に問題はなく、弁体71aは一方の遮断位置のままとされて終了する。
【0094】
しかしながら、ステップ105における判断が否定される時は、このままではパティキュレートフィルタ上にパティキュレートが堆積して酸化除去が困難となるために、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過せずにバイパスするようにする。ステップ106では、バイパスさせる排気ガス量を算出する。ステップ103及び104における最低温度TFt及び温度変化量dTFは、排気ガスの全量がパティキュレートフィルタへ流入した場合であり、例えば、パティキュレートフィルタへ流入する排気ガスが半分となれば、排出微粒子量、すなわち、パティキュレートフィルタへ流入する微粒子量も半減され、必要な最低温度TFtも下げることができる。さらに、排気ガス温度がパティキュレートフィルタの現在の温度TFより低い場合には、温度変化量dTFがマイナス値となるが、この絶対値を小さくすることができる。こうして、排気ガス温度がパティキュレートフィルタの現在の温度TFより低い場合において、ステップ105での判断が、大きな差でなく否定された時には、ステップ107において、弁体71aは現在の遮断位置と前述の中間位置との間の適当な開度とされ、ステップ106において算出された一部の排気ガスをバイパスさせることにより、パティキュレートフィルタでのパティキュレートの堆積を防止することができる。
【0095】
もちろん、排気ガス温度が非常に低い場合には、パティキュレートフィルタの大幅な温度低下を防止するために、弁体71aは中間位置とされ、全ての排気ガスをバイパスさせる。ところで、ステップ103において算出される現在必要な酸化除去可能微粒子量は、常に現在の排出微粒子量だけを酸化除去できれば良いものではない。例えば、機関減速時等にフューエルカットが実施されれば、排出微粒子量はほぼゼロとなるが、この時に必要な酸化除去可能微粒子量をゼロとして、最低温度TFtを100°C以下(図24参照)とすると、実際にパティキュレートフィルタの温度が100°C以下となった場合において、次回の機関加速時には、パティキュレートフィルタの温度は直ぐには昇温せず、ほとんどのパティキュレートを酸化除去できないこととなる。従って、必要な酸化除去可能微粒子量は常に所定量以上とし、すなわち、パティキュレートフィルタの最低温度TFtは、例えば、200°Cを下回らないようにすることが好ましい。
【0096】
また、機関運転状態によっては、排出微粒子量が多量となってステップ105における判断が否定されることがあるが、この時にも一部の排気ガスをバイパスさせることにより、排出微粒子量、すなわち、パティキュレートフィルタへ流入する微粒子量を低減させることができ、パティキュレートフィルタでのパティキュレートの堆積を防止することが可能である。
【0097】
図27は、パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止するために、第一フローチャートに代えて実施される第二フローチャートである。これを以下に説明する。本フローチャートも所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ201において、現在の燃料噴射量TAUが所定量TAU1より少ないか否かが判断される。この判断が否定される時には、燃料噴射量TAUは比較的多く、排気温度が高くなるために、パティキュレートフィルタの温度を大幅に低下させることはなく、弁体71aは一方の遮断位置のままとされて終了する。
【0098】
一方、ステップ201における判断が肯定される時には、排気ガス温度が低くなり、全ての排気ガスをパティキュレートフィルタに通過させると、パティキュレートフィルタの温度を大幅に低下させ、酸化除去可能微粒子量を大幅に低下させることとなるために、排気ガス温度が低いほど、又は、燃料噴射量が少ないほど、多くの排気ガスがパティキュレートフィルタを通過せずにバイパスするように、バイパス排気ガス量が算出され、このバイパス排気ガス量に基づきステップ203において弁体71aが一方の遮断位置と中間位置との間において開度制御される。
【0099】
こうして、例えば、排気ガスが非常に低温度となるフューエルカット時においては全ての排気ガスをバイパスさせ、排気ガスがそれほど低温度でない時には、一部の排気ガスをバイパスさせ、パティキュレートフィルタの大幅な温度低下を防止することにより、パティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量を比較的高く維持し、パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止することができる。
【0100】
もちろん、本フローチャートにおいて、ステップ201の判断が肯定される時には、パティキュレートフィルタの温度低下を確実に防止するために、全ての排気ガスをバイパスさせるようにしても良い。本フローチャートは、第一フローチャートに比較してラフな制御であるが、複雑な計算を必要としないために非常に簡単である。また、ステップ201における燃料噴射量の判断に代えて、例えば、車両走行中において運転者がブレーキペダルを踏み込んだことを検出し、この時には、フューエルカットが実施されるために、全ての排気ガスをバイパスさせるようにしても良い。また、例えば、車両停止中において運転者がアクセルペダルを放していることを検出し、この時にはアイドル時であるために燃料噴射量が僅かであり、全ての又は一部の排気ガスをバイパスさせるようにしても良い。
【0101】
第一フローチャート及び第二フローチャートによって排気ガスをバイパスさせた時には、パティキュレートフィルタ隔壁にパティキュレートが残留していたとしても、排気ガスのバイパスによって残留パティキュレート上にさらにパティキュレートが堆積することはない。それにより、隔壁の活性酸素放出剤から放出される活性酸素によって、この残留パティキュレートは徐々に酸化除去される。活性酸素放出剤から放出される活性酸素は有限であり、活性酸素放出剤は、活性酸素を放出してパティキュレートの酸化除去に使用した後には、前述のごとく雰囲気中の酸素を吸収しなければ、新たに活性酸素放出することはできない。こうして、全ての排気ガスがバイパスされていると、隔壁周囲には新たな酸素が供給されず、酸素不足によってこのような活性酸素放出剤による酸素の吸放出が不活発となり、残留パティキュレートを完全に酸化除去できないことがある。また、隔壁の活性酸素放出剤に接触していないパティキュレートは酸素不足によって酸化され難い。それにより、第一フローチャート及び第二フローチャートにおいて、排気ガスをバイパスさせる際には、常にそうしなくても良いが、全ての排気ガスをバイパスさせずに、少なくとも一部の排気ガスがパティキュレートフィルタを通過するようにし、パティキュレートフィルタ隔壁周囲を酸素不足としないことが好ましい。
【0102】
図29は、排気浄化装置のもう一つの実施例を示す平面図であり、図18に示す排気浄化装置との違いは、第一接続部72a及び第二接続部72bのそれぞれに酸素を供給する酸素供給装置74a及び74bが設けられていることである。本実施例によって、好ましくは、前述のように一部の排気ガスがパティキュレートフィルタを通過する時に、排気上流側となる一方の接続部72a又は72bへ酸素を供給することが可能である。それにより、パティキュレートフィルタ隔壁周囲の酸素不足は確実に防止され、パティキュレートフィルタ隔壁に残留するパティキュレートを排気バイパス中において確実に酸化除去することができる。
【0103】
図30は、排気浄化装置のさらにもう一つの実施例を示す平面図であり、図18に示す排気浄化装置との違いは、パティキュレートフィルタの両側へ広範囲に燃料のような還元剤を供給する還元剤供給装置75a及び75bが設けられていることである。本実施例によって、好ましくは、前述のように一部の排気ガスがパティキュレートフィルタを通過する時に、パティキュレートフィルタの排気入口側へ還元剤を供給することが可能である。それにより、この還元剤は、パティキュレートフィルタ隔壁に担持された白金Ptのような酸化触媒によって酸素不足とならずに良好に燃焼させられ、この燃焼熱によってパティキュレートフィルタの排気入口部が昇温するだけでなく、この燃焼熱は排気ガスによってパティキュレートフィルタの排気出口部も昇温させる。こうして、パティキュレートフィルタ全体が昇温させられるために、パティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量が向上し、排気バイパス中において隔壁の残留パティキュレートを確実に酸化除去することができる。本実施例において、還元剤供給装置は、パティキュレートフィルタへ直接的に還元剤を供給するために、接続部72a,72bの内壁に付着する等の無駄な還元剤の使用が防止され、還元剤を必要最小限とすることができる。
【0104】
また、第一フローチャート及び第二フローチャートにおいて、一時的にではあるが、パティキュレートフィルタを通過しない排気ガスが大気中に放出されることとなる。しかしながら、第一フローチャートにおいて、排出微粒子量が多量となった時以外は、排気ガスが比較的低温度である時、すなわち、燃料噴射量が少なくて排出微粒子量が非常に少ない時であるために、あまり問題とはならない。
【0105】
ところで、本実施例で使用したようなウォールフロー型パティキュレートフィルタでは、パティキュレートは、排気ガスが主に衝突する隔壁54の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面、すなわち、隔壁54の一方の捕集面に衝突捕集され、この一方の捕集面からの活性酸素の放出が捕集パティキュレートに対して不十分であると、全て酸化除去されずに残留することとなる。第一フローチャート及び第二フローチャートによって、このようなパティキュレートの残留はほぼ防止されるが、何らかの理由によって図28(A)に示すように隔壁の一方の捕集面にパティキュレートが残留したとしても、前述したように、切換部71内の弁体71aは二つの遮断位置とすることが可能であり、すなわち、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換え可能となっているために、定期的に、不定期に、所定走行距離毎に、又は、第一フローチャート又は第二フローチャートによって弁体71aが中間位置とされた後に、弁体71aを他方の遮断位置へ切り換えれば、この残留及び堆積パティキュレートを酸化除去することができる。
【0106】
なぜなら、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転によって、隔壁の一方の捕集面に残留するパティキュレート上には、さらにパティキュレートが堆積することはなく、一方の捕集面から放出される活性酸素によって残留パティキュレートは徐々に酸化除去される。また、特に隔壁の細孔内に残留するパティキュレートは、逆方向の排気ガス流によって、図28(B)に示すように、容易に破壊されて細分化され、細孔内を主に下流側へ移動する。
【0107】
それにより、細分化された多くのパティキュレートは、隔壁の細孔内に分散し、すなわち、パティキュレートは流動することにより、隔壁の細孔内表面に担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除去される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも活性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレートを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔壁54の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガスが主に衝突する隔壁54の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面(一方の捕集面とは反対側の関係となる)では、排気ガス中の新たなパティキュレートが付着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素によって酸化除去される。これらの酸化除去の際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残留するパティキュレートを酸化除去する。
【0108】
すなわち、隔壁における一方の捕集面の残留パティキュレートには、この捕集面から放出される活性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された残りの活性酸素が排気ガスによって到来する。それにより、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させてパティキュレートフィルタ隔壁の一方の捕集面と他方の捕集面とをパティキュレートの捕集に交互に使用することにより、逆転時にパティキュレートフィルタ隔壁の一方の捕集面にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたとしても、排気ガスの逆流によって、この堆積パティキュレートへも活性酸素が到来することに加えて、さらにパティキュレートが堆積することはないために、堆積パティキュレートは徐々に酸化除去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、この間で十分に酸化除去可能である。こうして、パティキュレートの捕集に第一捕集面と第二捕集面とが交互に使用されると、常に単一の捕集面でパティキュレートを捕集する場合に比較して、各捕集面でのパティキュレート捕集量を低減することができ、パティキュレートの酸化除去に有利である。
【0109】
また、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転する時に、パティキュレートフィルタ隔壁の一方の捕集面に多量のパティキュレートが堆積してしまったとしても、この堆積パティキュレートは、排気ガスの逆流によって比較的容易に破壊及び細分化されるために、隔壁の細孔内で酸化除去できなかった一部のパティキュレートはパティキュレートフィルタから排出されることとなるが、パティキュレートフィルタの排気抵抗がさらに高まって車両走行に悪影響を与えることはなく、多量の堆積パティキュレートが一度に着火燃焼して多量の燃焼熱によりパティキュレートフィルタを溶損させることもない。また、パティキュレートフィルタ隔壁の他方の捕集面によって新たなパティキュレートの捕集が可能となる。
【0110】
また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させると、活性酸素放出剤61から外部に活性酸素Oが一気に放出される。この一気に放出された活性酸素Oによって、堆積パティキュレートは酸化され易いものとなって容易に酸化除去される。
【0111】
一方、空燃比がリーンに維持されていると白金Ptの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ptの酸素被毒が生じる。このような酸素被毒が生じるとNOに対する酸化作用が低下するためにNOの吸収効率が低下し、斯くして活性酸素放出剤61からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Pt表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比が再びリッチからリーンに切り換えられるとNOに対する酸化作用が強まるためにNOの吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤61からの活性酸素放出量が増大する。
【0112】
従って、空燃比がリーンに維持されている時に空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切り換えるとその都度白金Ptの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンである時の活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ70上におけるパティキュレートの酸化作用を促進することができる。
【0113】
さらに、この酸素被毒の解消は、言わば、還元物質の燃焼であるために、発熱を伴ってパティキュレートフィルタを昇温させる。それにより、パティキュレートフィルタにおける酸化除去可能微粒子量が向上し、さらに、残留及び堆積パティキュレートの酸化除去が容易となる。弁体71aによってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換えた直後に排気ガスの空燃比をリッチにすれば、パティキュレートが残留していないパティキュレートフィルタ隔壁における他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性酸素を放出し易いために、さらに多量の放出される活性酸素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートをさらに確実に酸化除去することができる。もちろん、弁体71aの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比をリッチにしても良く、それにより、パティキュレートフィルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【0114】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施すれば良い。もちろん、通常燃焼から低温燃焼へ切り換わる時に、又は、それに先だってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換えるようにしても良い。また、排気ガスの空燃比をリッチにするために、単に燃焼空燃比をリッチにしても良い。また、圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、機関燃料噴射弁によって排気行程又は膨張行程において気筒内に燃料を噴射(ポスト噴射)しても良く、又は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射(ビゴム噴射)しても良い。もちろん、ポスト噴射又はビゴム噴射は、主燃料噴射との間に必ずしもインターバルを設ける必要はない。また、機関排気系に燃料を供給することも可能である。また、前述したように、低温燃焼は機関低負荷側で実施されるために、機関減速時のフューエルカット直後に低温燃焼が実施される。こうして、弁体71aが中間位置とされた直後に低温燃焼が実施される機会は多い。また、前述の還元剤供給装置によって還元剤を供給することにより、排気ガスの空燃比をリッチにすることも可能である。
【0115】
ところで、排気ガス中のカルシウムCaはSOが存在すると、硫酸カルシウムCaSOを生成する。この硫酸カルシウムCaSOは、酸化除去され難く、パティキュレートフィルタ上にアッシュとして残留することとなる。従って、硫酸カルシウムの残留によるパティキュレートフィルタの目詰まりを防止するためには、活性酸素放出剤61としてカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムKを用いることが好ましく、それにより、活性酸素放出剤61内に拡散するSOはカリウムKと結合して硫酸カリウムKSOを形成し、カルシウムCaはSOと結合することなくパティキュレートフィルタの隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィルタがアッシュによって目詰まりすることがなくなる。こうして、前述したように活性酸素放出剤61としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましいことになる。
【0116】
また、活性酸素放出剤としてパティキュレートフィルタに白金Ptのような貴金属のみを担持させても、白金Ptの表面上に保持されるNO又はSOから活性酸素を放出させることができる。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Gを示す実線は図24に示す実線に比べて若干右側に移動する。また、活性酸素放出剤としてセリアを用いることも可能である。セリアは、排気ガス中の酸素濃度が高いと酸素を吸収し(Ce→2CeO)、排気ガス中の酸素濃度が低下すると活性酸素を放出する(2CeO→Ce)ものであるために、パティキュレートの酸化除去のために、排気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良い。
【0117】
また、活性酸素放出剤として排気ガス中のNO浄化に使用されるNO吸蔵還元触媒を用いることも可能である。この場合においては、NO又はSOを放出させるために排気ガスの空燃比を少なくとも一時的にリッチにする必要があり、このリッチ化制御をパティキュレートフィルタの上流側と下流側との逆転後に実施することが好ましい。
【0118】
このように、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転可能にすることは好ましいが、これは、本発明を限定するものではなく、もちろん、単にパティキュレートフィルタの上流側と排気側とを連通するバイパス通路によって、必要に応じて排気ガスの全部又は一部をバイパスさせるようにしても良い。また、本実施形態のディーゼルエンジンは、低温燃焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、もちろん、通常燃焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパティキュレートを排出するガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。
【0119】
本実施例において、パティキュレートフィルタ自身が活性酸素放出剤を担持して、この活性酸素放出剤が放出する活性酸素によりパティキュレートが酸化除去されるものとしたが、これは、本発明を限定するものではない。例えば、活性酸素及び活性酸素と同等に機能する二酸化窒素等のパティキュレート酸化物質は、パティキュレートフィルタ又はそれに担持させた物質から放出されても、外部からパティキュレートフィルタへ流入するようにしても良い。パティキュレート酸化物質が外部から流入する場合においても、パティキュレートを捕集するために、捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とを交互に使用することで、排気下流側となった一方の捕集面では、新たにパティキュレートが堆積することはなく、この堆積パティキュレートを、他方の捕集面から流入するパティキュレート酸化成分によって徐々にでも酸化除去して、堆積パティキュレートをある程度の時間で十分に酸化除去することが可能である。この間において、他方の捕集面では、パティキュレートの捕集と共にパティキュレート酸化成分による酸化が行われるために、前述同様な効果がもたらされる。また、この場合においても、パティキュレートフィルタの昇温は、パティキュレート自身の温度を高めて酸化除去させ易くなる。
【0120】
【発明の効果】
このように、本発明による内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタを排気ガスがバイパスすることを可能とするバイパス通路とを具備し、パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、パティキュレートフィルタは、パティキュレートフィルタの温度に依存した酸化除去可能微粒子量を有し、現在必要とされるパティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量をもたらすパティキュレートフィルタの最低温度を算出し、現在のパティキュレートフィルタの温度、排気ガス量、及び排気ガス温度に基づきパティキュレートフィルタの温度変化量を算出し、現在のパティキュレートフィルタの温度に温度変化量を加えた結果が最低温度を下回る時には、排気ガスの少なくとも一部をバイパス通路によってバイパスさせるようになっている。それにより、十分な酸化除去可能微粒子量によってパティキュレートフィルタに捕集されるパティキュレートは良好に酸化除去され、パティキュレートフィルタの目詰まりは防止される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による排気浄化装置を備えるディーゼルエンジンの概略縦断面図である。
【図2】図1の燃焼室の拡大縦断面図である。
【図3】図1のシリンダヘッドの底面図である。
【図4】燃焼室の側面断面図である。
【図5】吸排気弁のリフトと燃料噴射を示す図である。
【図6】スモーク及びNOの発生量等を示す図である。
【図7】Aは空燃比が21付近でスモークの発生量が最も多い時の燃焼圧変化を示す図であり、Bは空燃比が18付近でスモークの発生量がほぼ零の時の燃焼圧変化を示す図である。
【図8】燃料分子を示す図である。
【図9】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図10】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図11】第1の運転領域I及び第2の運転領域IIを示す図である。
【図12】空燃比センサの出力を示す図である。
【図13】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図14】第1の運転領域Iにおける空燃比を示す図である。
【図15】Aはスロットル弁の目標開度のマップを示す図であり、BはEGR制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図16】第二燃焼における空燃比を示す図である。
【図17】Aはスロットル弁の目標開度のマップを示す図であり、BはEGR制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図18】機関排気系における切換部及びパティキュレートフィルタ近傍の平面図である。
【図19】図18の側面図である。
【図20】切換部内の弁体の図18とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図21】切換部内の弁体の中間位置を示す図である。
【図22】Aはパティキュレートフィルタの構造を示す正面図であり、Bはパティキュレートフィルタの構造を示す側面断面図である。
【図23】パティキュレートの酸化作用を説明するための図である。
【図24】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図25】パティキュレートの堆積作用を説明するための図である。
【図26】パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止するための第一フローチャートである。
【図27】パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止するための第二フローチャートである。
【図28】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面図である。
【図29】機関排気系における切換部及びパティキュレートフィルタ近傍のもう一つの実施例を示す平面図である。
【図30】機関排気系における切換部及びパティキュレートフィルタ近傍のさらにもう一つの実施例を示す平面図である。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
16…スロットル弁
70…パティキュレートフィルタ
71…切換部
71a…弁体
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
The exhaust gas of an internal combustion engine, particularly a diesel engine, contains particulates mainly composed of soot. Since particulates are harmful substances, it has been proposed to arrange a filter in the engine exhaust system for trapping the particulates before releasing them to the atmosphere. In such a filter, it is necessary to burn out the collected particulates in order to prevent an increase in exhaust resistance due to clogging.
[0003]
In such filter regeneration, the particulates are ignited and burned at about 600 ° C., but the exhaust gas temperature of the diesel engine is much lower than 600 ° C. in the normal state, and the filter itself is usually heated. is necessary.
[0004]
Japanese Patent Publication No. 7-106290 discloses that if a platinum group metal and an alkaline earth metal oxide are supported on a filter, particulates on the filter can be reduced to about 400 ° C., which is the normal exhaust gas temperature of a diesel engine. It is disclosed that it is continuously burned off.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if this filter is used, the exhaust gas temperature is not always about 400 ° C., and a large amount of particulates may be discharged from the diesel engine depending on the operating condition. Particulates that could not be burned off over time can gradually build up on the filter.
[0006]
In this filter, if a certain amount of particulates accumulates, the ability to burn out the particulates is extremely reduced, so that the filter can no longer be regenerated by itself. Thus, simply arranging this type of filter in the engine exhaust system may cause clogging relatively early, resulting in a significant decrease in engine output.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can prevent clogging due to trapped particulates in a particulate filter.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 of the present invention includes a particulate filter disposed in an engine exhaust system, and a bypass passage that allows exhaust gas to bypass the particulate filter. In the particulate filter, the collected particulates are oxidized, and the particulate filter has an oxidizable and removable particulate amount depending on the temperature of the particulate filter,Calculate the minimum temperature of the particulate filter that results in the amount of particulates that can be removed by oxidation of the particulate filter required at present, and calculate the particulate filter based on the current temperature of the particulate filter, the amount of exhaust gas, and the temperature of exhaust gas. When the temperature change amount of the filter is calculated and the result of adding the temperature change amount to the current temperature of the particulate filter is lower than the minimum temperature,At least a part of the exhaust gas is bypassed by the bypass passage.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, wherein the particulate filter carries an active oxygen releasing agent, It is characterized in that the active oxygen released from the release agent oxidizes the particulates.
[0010]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 3 of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, the active oxygen releasing agent removes oxygen when excess oxygen exists in the surroundings. And retains oxygen, and releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, wherein the active oxygen releasing agent is NO when an excess oxygen exists in the surroundings.XIs bound to oxygen and bound when the ambient oxygen concentration decreases.XAnd oxygenXAnd active oxygen.
[0023]
Claims according to the present invention5The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in claim 14In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to any one of the above, oxygen is supplied to the particulate filter when at least a part of the exhaust gas is bypassed by the bypass passage.
[0024]
Claims according to the present invention6The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in claim 14In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to any one of the above, the particulate filter has an oxidizing function, and supplies a reducing agent to the particulate filter when at least a part of the exhaust gas is bypassed by a bypass passage. Features.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a four-stroke diesel engine provided with an exhaust gas purifying apparatus according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of a combustion chamber in the diesel engine of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a bottom view of a cylinder head in the diesel engine of FIG. 1 to 3, reference numeral 1 denotes an engine body, 2 denotes a cylinder block, 3 denotes a cylinder head, 4 denotes a piston, 5a denotes a cavity formed on the top surface of the piston 4, and 5 denotes a cavity formed in the cavity 5a. A combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is a pair of intake valves, 8 is an intake port, 9 is a pair of exhaust valves, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to an air cleaner 14 via an intake duct 13. A throttle valve 16 driven by an electric motor 15 is arranged in the intake duct 13. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to the exhaust manifold 17.
[0026]
As shown in FIG. 1, an air-fuel ratio sensor 21 is disposed in the exhaust manifold 17. The exhaust manifold 17 and the surge tank 12 are connected to each other via an EGR passage 22, and an electrically controlled EGR control valve 23 is disposed in the EGR passage 22. A cooling device 24 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 22 is disposed around the EGR passage 22. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 24, and the engine cooling water cools the EGR gas.
[0027]
On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected via a fuel supply pipe 25 to a fuel reservoir, a so-called common rail 26. Fuel is supplied into the common rail 26 from an electric control type variable discharge fuel pump 27, and the fuel supplied into the common rail 26 is supplied to the fuel injection valve 6 through each fuel supply pipe 25. A fuel pressure sensor 28 for detecting the fuel pressure in the common rail 26 is attached to the common rail 26. The fuel pump 27 is controlled so that the fuel pressure in the common rail 26 becomes the target fuel pressure based on the output signal of the fuel pressure sensor 28. Is controlled.
[0028]
An electronic control unit 30 receives an output signal of the air-fuel ratio sensor 21 and an output signal of the fuel pressure sensor 28. A load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the amount of depression L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and an output signal of the load sensor 41 is also input to the electronic control unit 30. For example, an output signal of the crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the motor rotates by 30 ° is also input. Thus, the electronic control unit 30 operates the fuel injection valve 6, the electric motor 15, the EGR control valve 23, and the fuel pump 27 based on various signals.
[0029]
As shown in FIGS. 2 and 3, in the embodiment according to the present invention, the fuel injection valve 6 comprises a hole nozzle having six nozzle ports, and the nozzle port of the fuel injection valve 6 is equiangularly slightly downward with respect to the horizontal plane. Fuel F is injected at intervals. As shown in FIG. 3, two of the six fuel sprays F scatter along the lower surface of the valve body of each exhaust valve 9. FIGS. 2 and 3 show a case where fuel injection is performed at the end of the compression stroke. At this time, the fuel spray F advances toward the inner peripheral surface of the cavity 5a, and is then ignited and burned.
[0030]
FIG. 4 shows a case where additional fuel is injected from the fuel injection valve 6 when the lift amount of the exhaust valve 9 is maximum during the exhaust stroke. That is, as shown in FIG. 5, a case is shown in which the main injection Qm is performed near the compression top dead center, and then the additional fuel Qa is injected in the middle of the exhaust stroke. In this case, the fuel spray F traveling in the valve body direction of the exhaust valve 9 is directed between the back of the head of the exhaust valve 9 and the exhaust port 10. That is, in other words, two of the six nozzle ports of the fuel injection valve 6 emit fuel spray F when additional fuel Qa is injected while the exhaust valve 9 is open. It is formed so as to be directed between the back surface of the head of the valve 9 and the exhaust port 10. In this case, in the embodiment shown in FIG. 4, at this time, the fuel spray F collides with the back of the exhaust valve 9, and the fuel spray F colliding with the back of the exhaust valve 9 reflects on the back of the exhaust valve 9. Then, it goes into the exhaust port 10.
[0031]
Normally, no additional fuel Qa is injected, and only the main injection Qm is performed. FIG. 6 shows a change in the output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 6) is changed by changing the opening degree and the EGR rate of the throttle valve 16 during the engine low load operation, and the smoke, HC, and the like. , CO, NOX4 shows an experimental example showing a change in the emission amount of the gas. As can be seen from FIG. 6, in this experimental example, the EGR rate increases as the air-fuel ratio A / F decreases, and the EGR rate is 65% or higher when the air-fuel ratio is equal to or less than the stoichiometric air-fuel ratio (比 14.6).
[0032]
As shown in FIG. 6, when the air-fuel ratio A / F is reduced by increasing the EGR rate, the amount of smoke increases when the EGR rate becomes about 40% and the air-fuel ratio A / F becomes about 30. To start. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the amount of smoke generated sharply increases and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke is sharply reduced. When the EGR rate is increased to 65% or more, and the air-fuel ratio A / F becomes about 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no soot is generated. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and NOXThe amount of generation is considerably low. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0033]
FIG. 7A shows a change in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the air-fuel ratio A / F is around 21 and the amount of generated smoke is the largest, and FIG. The graph shows a change in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the amount of generated smoke is almost zero in the vicinity. As can be seen by comparing FIG. 7 (A) and FIG. 7 (B), FIG. 7 (B) in which the amount of smoke generation is almost zero is shown in FIG. 7 (A) where the amount of smoke generation is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than in the case.
[0034]
The following can be said from the experimental results shown in FIGS. That is, first, when the air-fuel ratio A / F is 15.0 or less and the amount of generated smoke is almost zero, as shown in FIG.XThe amount of generation of methane is considerably reduced. NOXThe decrease in the amount of generation means that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased. Therefore, it can be said that the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low when little soot is generated. The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 7B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and thus the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
[0035]
Second, when the amount of generated smoke, that is, the amount of generated soot becomes substantially zero, the amount of HC and CO emissions increases as shown in FIG. This means that hydrocarbons are emitted without growing to soot. That is, the linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons contained in the fuel as shown in FIG. 8 are thermally decomposed when the temperature is increased in a state of lack of oxygen, soot precursors are formed, and then mainly, A soot consisting of a solid aggregate of carbon atoms is produced. In this case, the actual soot generation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor takes, but in any case, the hydrocarbon as shown in FIG. It will grow to soot. Therefore, as described above, when the amount of soot generation becomes almost zero, the emission amounts of HC and CO increase as shown in FIG. 6, but HC at this time is a precursor of soot or a hydrocarbon in a state before the soot. .
[0036]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 6 and 7, when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, the amount of generated soot becomes almost zero. The hydrocarbon will be discharged from the combustion chamber 5. As a result of further detailed experimental research on this, when the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber 5 is lower than a certain temperature, the growth process of the soot is stopped halfway, that is, the soot is It was found that no soot was generated, and soot was generated when the temperature of the fuel and its surroundings in the combustion chamber 5 became lower than a certain temperature.
[0037]
By the way, the temperature of the fuel and its surrounding when the process of producing hydrocarbons is stopped in the state of the soot precursor, that is, the above-mentioned certain temperature varies depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio and the compression ratio, It is not possible to say how many times, but this certain temperature is NOXIs closely related to the amount of NOx generated, so that this certain temperature is NOXCan be defined to some extent from the amount of occurrence of. That is, as the EGR rate increases, the fuel temperature during combustion and the gas temperature around the fuel decrease, and the NOXGeneration amount decreases. NO at this timeXIs 10 p. p. When the value is about m or less, soot is hardly generated. Therefore, the above certain temperature is NOXIs 10 p. p. m The temperature substantially coincides with the temperature when the temperature becomes lower or higher or lower.
[0038]
Once soot has been produced, it cannot be purified by post-treatment simply using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in the state before the soot can be easily purified by a post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Thus, NOXIt is extremely effective in purifying exhaust gas to reduce the generation amount of methane and to discharge hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the state of a precursor of soot or before the soot.
[0039]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons before the soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber 5 to a temperature lower than the temperature at which the soot is generated. There is. In this case, it has been found that the endothermic effect of the gas around the fuel when the fuel is burned has an extremely large effect in suppressing the temperature of the fuel and the gas around the fuel.
[0040]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with oxygen in the air and burns. In this case, the temperature of the air separated from the fuel does not rise so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air separated from the fuel hardly absorbs the heat of combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received the heat of combustion will generate soot.
[0041]
On the other hand, when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air, the situation is slightly different. In this case, the evaporated fuel diffuses to the surroundings, reacts with oxygen mixed in the inert gas, and burns. In this case, the combustion temperature does not rise so much because the combustion heat is absorbed by the surrounding inert gas. That is, the combustion temperature can be kept low. That is, the presence of the inert gas plays an important role in suppressing the combustion temperature, and the combustion temperature can be kept low by the endothermic effect of the inert gas.
[0042]
In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which the soot is formed, an amount of the inert gas is required to be able to absorb enough heat to do so. Therefore, if the amount of fuel increases, the required amount of inert gas increases accordingly. In this case, the endothermic effect becomes stronger as the specific heat of the inert gas increases, so that the inert gas preferably has a higher specific heat. In this regard, CO2Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the inert gas.
[0043]
FIG. 9 shows the relationship between the EGR rate and the smoke when the EGR gas is used as the inert gas and the degree of cooling of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 9, the curve A shows the case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at approximately 90 ° C., and the curve B shows the case where the EGR gas is cooled by a small cooling device. Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0044]
As shown by the curve A in FIG. 9, when the EGR gas is strongly cooled, the soot generation amount peaks at a point where the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. Then, almost no soot is generated. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 9, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly higher than 50%, and in this case, the EGR rate is increased to about 65% or more. So that almost no soot is generated.
[0045]
When the EGR gas is not forcibly cooled as shown by the curve C in FIG. 9, the amount of soot generation reaches a peak near the EGR rate of 55%. Above a percentage, soot is hardly generated. FIG. 9 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load is small, the EGR rate at which the amount of soot peaks slightly decreases, and the EGR rate at which soot is hardly generated is shown. Also lowers slightly. As described above, the lower limit of the EGR rate at which almost no soot is generated varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0046]
FIG. 10 shows a mixed gas amount of the EGR gas and the air necessary to make the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas temperature lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas; And the ratio of air in the mixed gas amount and the ratio of EGR gas in the mixed gas. In FIG. 10, the vertical axis indicates the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5, and the dashed line Y indicates the total intake gas amount that can be sucked into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. I have. The horizontal axis indicates the required load, and Z1 indicates the low load operation region.
[0047]
Referring to FIG. 10, the proportion of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air necessary to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 10, the ratio between the amount of air and the amount of injected fuel is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 10, the ratio of the EGR gas, that is, the amount of the EGR gas in the mixed gas is necessary to make the temperature of the fuel and the surrounding gas lower than the temperature at which soot is formed when the injected fuel is burned. The minimum EGR gas amount is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of the EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5 is represented by a solid line X in FIG. 10, and the ratio between the air amount and the EGR gas amount in the total intake gas amount X is as shown in FIG. The temperature of the fuel and the gas around it will be lower than the temperature at which soot is produced, so that no soot is generated. Also, NOXThe amount generated is 10 p. p. m around or below and therefore NOXIs extremely small.
[0048]
As the amount of fuel injection increases, the amount of heat generated when the fuel burns increases. Therefore, in order to maintain the temperature of the fuel and the surrounding gas at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, the amount of heat absorbed by the EGR gas Must be increased. Therefore, as shown in FIG. 10, the EGR gas amount must be increased as the injected fuel amount increases. That is, the EGR gas amount needs to increase as the required load increases.
[0049]
On the other hand, in the load region Z2 in FIG. 10, the total intake gas amount X necessary to prevent the generation of soot exceeds the total intake gas amount Y that can be sucked. Therefore, in this case, it is necessary to supercharge or pressurize both the EGR gas and the intake air or the EGR gas in order to supply the total intake gas amount X necessary for preventing the generation of soot into the combustion chamber 5. When the EGR gas or the like is not supercharged or pressurized, the total intake gas amount X matches the total intake gas amount Y that can be sucked in the load region Z2. Therefore, in this case, in order to prevent the generation of soot, the amount of air is slightly reduced to increase the amount of EGR gas, and the fuel is burned under a rich air-fuel ratio.
[0050]
As described above, FIG. 10 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio. However, even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. 10 in the low load operation region Z1 shown in FIG. That is, even if the air-fuel ratio is made rich, NOXIs 10 p. p. m or less, and even if the air amount is larger than the air amount shown in FIG. 10 in the low load region Z1 shown in FIG. 10, that is, the average value of the air-fuel ratio is 17 to 18. NO while preventing soot generation even when leanXIs 10 p. p. m can be around or below.
[0051]
That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but since the combustion temperature is suppressed to a low temperature, the excess fuel does not grow to soot, and thus no soot is generated. At this time, NOXOnly a very small amount is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated if the combustion temperature increases, but in the present invention, the soot is suppressed to a low temperature, so the soot is reduced. Not generated at all. Furthermore, NOXOnly a very small amount is generated.
[0052]
As described above, in the engine low load operation region Z1, no soot is generated regardless of the air-fuel ratio, that is, regardless of whether the air-fuel ratio is rich, the stoichiometric air-fuel ratio, or the average air-fuel ratio is lean, and NOXIs extremely small. Therefore, considering the improvement of the fuel consumption rate, it can be said that it is preferable to make the average air-fuel ratio at this time lean.
[0053]
By the way, the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber can be suppressed to a temperature at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, only when the heat generation amount due to combustion is small and the engine load is relatively low. Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the engine load is relatively low, the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed by suppressing the temperature of the fuel during combustion and the gas temperature around the combustion to a temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway. Then, when the engine load is relatively high, the second combustion, that is, the combustion that is usually performed conventionally, is performed. Here, the first combustion, that is, low-temperature combustion, as is clear from the description so far, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the worst inert gas amount at which the generation amount of soot is maximum, and soot is almost generated. The second combustion, that is, the combustion that is usually performed in the past, is the combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the worst inert gas amount that produces the largest amount of soot. Say
[0054]
FIG. 11 shows a first operation region I in which first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second combustion region II in which second combustion, that is, combustion by a conventional combustion method, is performed. In FIG. 11, the vertical axis L indicates the depression amount of the accelerator pedal 40, that is, the required load, and the horizontal axis N indicates the engine speed. In FIG. 11, X (N) indicates a first boundary between the first operation region I and the second operation region II, and Y (N) indicates the first operation region I and the second operation region. The second boundary with the area II is shown. The determination of the change of the operation region from the first operation region I to the second operation region II is made based on the first boundary X (N), and the change from the second operation region II to the first operation region I is performed. The determination of the change of the operating region is performed based on the second boundary Y (N).
[0055]
That is, if the required load L exceeds a first boundary X (N), which is a function of the engine speed N, when the operating state of the engine is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, the operating region is changed. It is determined that the operation has shifted to the second operation region II, and combustion is performed by the conventional combustion method. Next, when the required load L becomes lower than a second boundary Y (N) which is a function of the engine speed N, it is determined that the operation region has shifted to the first operation region I, and low-temperature combustion is performed again.
[0056]
FIG. 12 shows the output of the air-fuel ratio sensor 21. As shown in FIG. 12, the output current I of the air-fuel ratio sensor 21 changes according to the air-fuel ratio A / F. Therefore, the air-fuel ratio can be known from the output current I of the air-fuel ratio sensor 21. Next, the operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
[0057]
FIG. 13 shows the opening of the throttle valve 16, the opening of the EGR control valve 23, the EGR rate, the air-fuel ratio, the injection timing, and the injection amount with respect to the required load L. As shown in FIG. 13, in the first operating region I where the required load L is low, the opening of the throttle valve 16 is gradually increased from almost fully closed to about half-open as the required load L increases, and the EGR control valve 23 Is gradually increased from near fully closed to fully open as the required load L increases. In the example shown in FIG. 13, in the first operation region I, the EGR rate is approximately 70%, and the air-fuel ratio is a slightly lean air-fuel ratio.
[0058]
In other words, in the first operating region I, the opening of the throttle valve 16 and the opening of the EGR control valve 23 are controlled such that the EGR rate becomes approximately 70% and the air-fuel ratio becomes a slightly lean air-fuel ratio. The air-fuel ratio at this time is controlled to the target lean air-fuel ratio by correcting the opening of the EGR control valve 23 based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 21. In the first operation region I, fuel injection is performed before the compression top dead center TDC. In this case, the injection start timing θS is delayed as the required load L is increased, and the injection completion timing θE is delayed as the injection start timing θS is delayed.
[0059]
At the time of idling operation, the throttle valve 16 is closed to almost fully closed, and at this time, the EGR control valve 23 is also closed to almost fully closed. When the throttle valve 16 is closed close to the fully closed position, the pressure in the combustion chamber 5 at the start of compression decreases, so that the compression pressure decreases. When the compression pressure decreases, the compression work by the piston 4 decreases, so that the vibration of the engine body 1 decreases. That is, at the time of idling operation, the throttle valve 16 is closed to almost fully closed in order to suppress the vibration of the engine body 1.
[0060]
On the other hand, when the operating region of the engine changes from the first operating region I to the second operating region II, the opening degree of the throttle valve 16 is increased stepwise from the half-open state to the fully open state. At this time, in the example shown in FIG. 13, the EGR rate is reduced stepwise from approximately 70% to 40% or less, and the air-fuel ratio is increased stepwise. That is, since the EGR rate jumps over the EGR rate range (FIG. 9) in which a large amount of smoke is generated, a large amount of smoke is generated when the operation region of the engine changes from the first operation region I to the second operation region II. There is no.
[0061]
In the second operation region II, the conventional combustion is performed. In this combustion method, soot and NOXIs generated, but the thermal efficiency is higher than that of low-temperature combustion. Therefore, when the operating region of the engine changes from the first operating region I to the second operating region II, the injection amount decreases stepwise as shown in FIG. I'm sullen.
[0062]
In the second operating region II, the throttle valve 16 is held in a fully open state except for a part, and the opening of the EGR control valve 23 is gradually reduced as the required load L increases. In this operating region II, the EGR rate decreases as the required load L increases, and the air-fuel ratio decreases as the required load L increases. However, the air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio even when the required load L increases. In the second operation region II, the injection start timing θS is set near the compression top dead center TDC.
[0063]
FIG. 14 shows the air-fuel ratio A / F in the first operation region I. In FIG. 14, each curve indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 has air-fuel ratios of 15.5, 16, 17, and 18, respectively. Time is shown, and the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 14, the air-fuel ratio is lean in the first operating region I, and in the first operating region I, the air-fuel ratio A / F becomes leaner as the required load L decreases.
[0064]
That is, the lower the required load L, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, as the required load L decreases, low-temperature combustion can be performed even if the EGR rate is reduced. When the EGR rate is reduced, the air-fuel ratio increases. Therefore, as shown in FIG. 14, as the required load L decreases, the air-fuel ratio A / F increases. As the air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate increases. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, in this embodiment, the air-fuel ratio A / F is increased as the required load L decreases.
[0065]
It should be noted that the target opening ST of the throttle valve 16 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio shown in FIG. 14 is represented as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. The target opening SE of the EGR control valve 23 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio shown in FIG. 14 is stored in advance in the ROM 32 as shown in FIG. And in the form of a map as a function of the engine speed N in the ROM 32 in advance.
[0066]
FIG. 16 shows the target air-fuel ratio when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 16, curves indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate target air-fuel ratios 24, 35, 45, and 60, respectively. The target opening degree ST of the throttle valve 16 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is stored in the ROM 32 in advance in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. The target opening SE of the EGR control valve 23 required to set the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is calculated as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. It is stored in the ROM 32 in the form of a map in advance.
[0067]
Thus, in the diesel engine of the present embodiment, the first combustion, that is, the low temperature combustion, and the second combustion, that is, the normal combustion are switched based on the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N, In each combustion, the opening degree control of the throttle valve 16 and the EGR valve is performed based on the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N by using a map shown in FIG. 15 or FIG.
[0068]
FIG. 18 is a plan view showing the exhaust gas purification device, and FIG. 19 is a side view thereof. The present exhaust gas purification apparatus includes a switching section 71 connected to the downstream side of the exhaust manifold 17 via an exhaust pipe 18, a particulate filter 70, and a first section connecting one side of the particulate filter 70 and the switching section 71. The switching unit 71 includes a connecting portion 72a, a second connecting portion 72b that connects the other side of the particulate filter 70 and the switching portion 71, and an exhaust passage 73 downstream of the switching portion 71. The switching unit 71 includes a valve body 71a that can shut off the exhaust gas flow in the switching unit 71. The valve body 71a is driven by a negative pressure actuator, a step motor, or the like. At one of the shutoff positions of the valve body 71a, the upstream side in the switching section 71 is communicated with the first connection section 72a, and the downstream side in the switching section 71 is communicated with the second connection section 72b. As shown by the arrows, the particulate filter 70 flows from one side to the other side.
[0069]
FIG. 20 shows the other blocking position of the valve body 71a. In this shutoff position, the upstream side in the switching section 71 is communicated with the second connection section 72b, and the downstream side in the switching section 71 is communicated with the first connection section 72a, and the exhaust gas is discharged as shown by an arrow in FIG. , Flows from the other side of the particulate filter 70 to one side. Thus, by switching the valve body 71a, the direction of the exhaust gas flowing into the particulate filter 70 can be reversed, that is, it is possible to reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter 70. Become.
[0070]
As described above, the present exhaust gas purification apparatus can reverse the exhaust gas upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter with a very simple configuration. Further, the particulate filter requires a large opening area in order to facilitate the flow of exhaust gas. However, in the present exhaust gas purifying apparatus, as shown in FIGS. Instead, a particulate filter having a large opening area can be used.
[0071]
FIG. 21 shows an intermediate position between the two shut-off positions in the valve body 71a. In this intermediate position, the inside of the switching section 71 is not shut off, and the exhaust gas does not pass through the particulate filter 70 having a high passage resistance, that is, as shown by the arrow in FIG. The gas flows directly to the exhaust passage 72 bypassing the bypass 70. As described above, the opening degree of the valve body 71a can be controlled to an arbitrary position by the aforementioned actuator. However, it is usually used as one of the blocking positions.
[0072]
FIG. 22 shows the structure of the particulate filter 70. 22A is a front view of the particulate filter 70, and FIG. 22B is a side sectional view. As shown in these figures, the particulate filter 70 has an elliptical front shape, and is, for example, a wall flow type having a honeycomb structure formed of a porous material such as cordierite. It has a number of axial spaces subdivided by directional partitions 54. In the two adjacent axial spaces, one is closed downstream of the exhaust and the other is closed upstream of the exhaust by a plug 53. Thus, one of the two adjacent axial spaces becomes the exhaust gas inflow passage 50 and the other becomes the outflow passage 51, and the exhaust gas always passes through the partition wall 54 as shown by the arrow in FIG. Although the particulates in the exhaust gas are very small compared to the size of the pores of the partition wall 54, they collide with and collect on the upstream surface of the partition wall 54 and the surface of the pores in the partition wall 54. Is done. Thus, each partition wall 54 functions as a collecting wall for collecting particulates. In the present particulate filter 70, in order to oxidize and remove the trapped particulates, the following description will be given using alumina or the like on both surfaces of the partition walls 54, and preferably also on the surface of the pores in the partition walls 54. An active oxygen releasing agent and a noble metal catalyst are supported.
[0073]
The active oxygen releasing agent promotes the oxidation of particulates by releasing active oxygen.Preferably, when there is excess oxygen in the surroundings, it takes in oxygen to retain oxygen and reduce the surrounding oxygen concentration. When lowered, the retained oxygen is released in the form of active oxygen.
[0074]
As a noble metal catalyst, platinum Pt is usually used, and as an active oxygen releasing agent, an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, or rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, or strontium Sr is used. At least one selected from alkaline earth metals, rare earths such as lanthanum La, yttrium Y, and transition metals is used.
[0075]
In this case, as the active oxygen releasing agent, an alkali metal or an alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr may be used. preferable.
[0076]
Next, how the collected particulates are oxidized and removed by the particulate filter supporting such an active oxygen releasing agent will be described with reference to platinum Pt and potassium K as an example. The same particulate removal effect can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earth metals, rare earths, and transition metals.
[0077]
Diesel engines usually burn under excess air, so the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, when the ratio of air and fuel supplied to the intake passage and the combustion chamber is referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas, the air-fuel ratio is lean. Further, since NO is generated in the combustion chamber, the exhaust gas contains NO. Further, the fuel contains sulfur S, which reacts with oxygen in the combustion chamber to produce SO.2It becomes. Therefore, SO in the exhaust gas2It is included. Thus, excess oxygen, NO and SO2Will flow into the exhaust gas upstream of the particulate filter 70.
[0078]
FIGS. 23A and 23B schematically show enlarged views of the exhaust gas contact surface of the particulate filter 70. FIG. In FIGS. 23A and 23B, reference numeral 60 denotes platinum Pt particles, and reference numeral 61 denotes an active oxygen releasing agent containing potassium K.
[0079]
As described above, since a large amount of excess oxygen is contained in the exhaust gas, when the exhaust gas comes into contact with the exhaust gas contact surface of the particulate filter, as shown in FIG.2Is O2 Or O2-On the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the exhaust gas becomes O 2 on the surface of platinum Pt.2 Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). NO generated next2Is absorbed in the active oxygen releasing agent 61 while being oxidized on the platinum Pt, and combined with potassium K to form nitrate ions NO as shown in FIG.3 Is diffused into the active oxygen releasing agent 61 in the form of potassium nitrate KNO3Generate Thus, in this embodiment, the NO contained in the exhaust gasXIs absorbed by the particulate filter 70, and the amount of emission into the atmosphere can be greatly reduced.
[0080]
On the other hand, as described above, SO2 is contained in the exhaust gas.2Is also included in this SO2Is also absorbed into the active oxygen releasing agent 61 by the same mechanism as NO. That is, as described above, the oxygen O2Is O2 Or O2-Is attached to the surface of platinum Pt in the form of2Is O on the surface of platinum Pt2 Or O2-Reacts with SO3It becomes. Then the generated SO3Is absorbed in the active oxygen releasing agent 61 while being further oxidized on the platinum Pt, and combined with potassium K to form sulfate ions SO.4 2-In the active oxygen releasing agent 61 in the form of potassium sulfate K2SO4Generate Thus, potassium nitrate KNO is contained in the active oxygen release catalyst 61.3And potassium sulfate K2SO4Is generated.
[0081]
The particulates in the exhaust gas adhere to the surface of the active oxygen releasing agent 61 carried on the particulate filter, as indicated by 62 in FIG. At this time, the oxygen concentration decreases at the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen releasing agent 61. When the oxygen concentration decreases, a concentration difference occurs between the active oxygen releasing agent 61 having a high oxygen concentration and the oxygen in the active oxygen releasing agent 61. Try to move towards. As a result, potassium nitrate KNO formed in the active oxygen releasing agent 613Is decomposed into potassium K, oxygen O and NO, oxygen O is directed to the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen releasing agent 61, and NO is released from the active oxygen releasing agent 61 to the outside. The NO released to the outside is oxidized on platinum Pt on the downstream side, and is again absorbed in the active oxygen releasing agent 61.
[0082]
On the other hand, at this time, potassium sulfate K formed in the active oxygen releasing agent 612SO4Also potassium K, oxygen O and SO2Oxygen O is directed to the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen releasing agent 61,2Is released from the active oxygen releasing agent 61 to the outside. SO released outside2Is oxidized on platinum Pt on the downstream side, and is again absorbed in the active oxygen releasing agent 61. However, potassium sulfate K2SO4Is stable because potassium nitrate KNO3It is difficult to release active oxygen as compared with.
[0083]
On the other hand, oxygen O toward the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen releasing agent 61 is potassium nitrate KNO3And potassium sulfate K2SO4Is oxygen decomposed from such a compound. Oxygen O decomposed from the compound has high energy and extremely high activity. Therefore, the oxygen going to the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen releasing agent 61 is active oxygen O. When the active oxygen O comes in contact with the particulate 62, the particulate 62 is oxidized in a short time of several minutes to several tens minutes without emitting a bright flame. The active oxygen O that oxidizes the particulate 62 is supplied to the active oxygen releasing agent 61 by NO and SO.2Is also released when is absorbed. That is, NOXRepresents nitrate ion NO in the active oxygen releasing agent 61 while repeatedly bonding and separating oxygen atoms.3 It is thought that it diffuses in the form of, and active oxygen is also generated during this time. The particulate 62 is also oxidized by the active oxygen. Further, the particulates 62 thus adhered on the particulate filter 70 are oxidized by the active oxygen O, but these particulates 62 are also oxidized by the oxygen in the exhaust gas.
[0084]
By the way, the platinum Pt and the active oxygen releasing agent 61 are activated as the temperature of the particulate filter increases, so that the amount of active oxygen O released from the active oxygen releasing agent 61 per unit time increases as the temperature of the particulate filter increases. I do. Naturally, the higher the temperature of the particulates themselves, the more easily they are oxidized and removed. Therefore, the amount of oxidizable particles that can oxidize and remove particulates per unit time on the particulate filter without emitting luminous flame per unit time increases as the temperature of the particulate filter increases.
[0085]
The solid line in FIG. 24 indicates the amount G of the oxidizable particles that can be oxidized and removed without emitting a bright flame per unit time, and in FIG. 24, the horizontal axis indicates the temperature TF of the particulate filter. FIG. 24 shows the case where the unit time is 1 second, that is, the amount G of the oxidizable / removable fine particles per second. However, an arbitrary time such as 1 minute or 10 minutes is adopted as the unit time. be able to. For example, when 10 minutes is used as the unit time, the amount G of oxidizable and removable particles per unit time represents the amount G of oxidizable and removable particles per 10 minutes. As shown in FIG. 24, the amount G of oxidizable particles that can be oxidized and removed without emitting bright flame per hour increases as the temperature of the particulate filter 70 increases.
[0086]
When the amount of particulates discharged from the combustion chamber per unit time is referred to as an amount M of discharged fine particles, when the amount M of discharged fine particles is smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, for example, the amount of discharged fine particles per second When M is smaller than the amount G of oxidizable and removable particles per second, or when the amount M of discharged particles per 10 minutes is smaller than the amount G of oxidizable and removable particles per 10 minutes, that is, in the region I in FIG. All the particulates discharged from the chamber are sequentially oxidized and removed in a short time on the particulate filter 70 without emitting a bright flame.
[0087]
On the other hand, when the amount M of discharged fine particles is larger than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, that is, in the region II in FIG. 24, the amount of active oxygen is insufficient to sequentially oxidize all the particulates. FIGS. 25A to 25C show how particulates are oxidized in such a case.
[0088]
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the particulates, when the particulates 62 adhere to the active oxygen releasing agent 61 as shown in FIG. Only the particulates are oxidized, and the particulates that have not been sufficiently oxidized remain on the exhaust upstream side of the particulate filter. Next, when the state of the shortage of the active oxygen amount continues, the particulate portion which has not been oxidized from one to the next remains on the exhaust upstream surface, and as a result, as shown in FIG. The exhaust upstream surface is covered with the residual particulate portion 63.
[0089]
Such a residual particulate portion 63 is gradually transformed into a carbon material which is hardly oxidized, and when the exhaust upstream surface is covered with the residual particulate portion 63, NO, SO by platinum Pt is formed.2And the active oxygen releasing action of the active oxygen releasing agent 61 is suppressed. As a result, the residual particulate portion 63 can be gradually oxidized with time, but another particulate 64 is successively formed on the residual particulate portion 63 as shown in FIG. And accumulate. That is, when the particulates are deposited in a layered manner, these particulates are separated from the platinum Pt and the active oxygen releasing agent, so that even if the particulates are easily oxidized, they cannot be oxidized by the active oxygen. Absent. Therefore, further particulates accumulate on this particulate 64 one after another. In other words, if the state in which the amount M of discharged fine particles is larger than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation continues, the particulates will be deposited in layers on the particulate filter.
[0090]
As described above, in the region I of FIG. 24, the particulates are oxidized in a short time without emitting a bright flame on the particulate filter, and in the region II of FIG. 24, the particulates are deposited on the particulate filter in a layered manner. I do. Therefore, if the relationship between the discharged fine particle amount M and the oxidizable and removable fine particle amount G is set to the region I, it is possible to prevent the accumulation of particulates on the particulate filter. As a result, the pressure loss of the exhaust gas flow in the particulate filter 70 is maintained at a substantially constant minimum pressure loss value without changing at all. In this way, a reduction in engine power can be kept to a minimum. However, this is not always achieved, and if nothing is done, particulates may accumulate on the particulate filter.
[0091]
In the present embodiment, the electronic control unit 30 controls the opening degree of the valve body 71a according to the first flowchart shown in FIG. 26 to prevent the accumulation of particulates on the particulate filter. This flowchart is repeated every predetermined time. First, in step 101, the temperature TF of the particulate filter is detected. In this detection, a temperature sensor is provided in the particulate filter, and the detection is performed directly. Further, the temperature of the particulate filter may be calculated based on the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter, the temperature of the exhaust gas, and the like every predetermined time from the start of the engine. Next, the current engine operating state is grasped using the load sensor 41, the crank angle sensor 42, and the like. In the case of the diesel engine of this embodiment, it is also known which of the two combustion systems is employed. By grasping the operation state, it is possible to estimate the exhaust gas amount, the exhaust gas temperature, the oxygen concentration in the exhaust gas, the amount of exhaust particulates, and the like.
[0092]
Next, in step 103, the amount of particulates that can be oxidized and removed by the particulate filter, which is currently required, is calculated based on the oxygen concentration in the exhaust gas and the amount of exhausted particulates. Temperature TFt is calculated. In step 104, the temperature change amount dTF of the particulate filter is calculated based on the current particulate filter temperature TF, the exhaust gas amount, the exhaust gas temperature, and the like.
[0093]
Next, at step 105, the particulate filter adds the temperature change amount dTF to the current temperature TF, and determines whether or not the result exceeds the minimum temperature TFt. For example, even if the current temperature TF of the particulate filter is considerably high and the exhaust gas temperature is lower than this temperature TF and the temperature of the particulate filter is reduced, if the determination in step 105 is affirmative, the problem is particularly problematic. However, the valve body 71a is left at one of the shut-off positions and ends.
[0094]
However, when the determination in step 105 is denied, since particulates accumulate on the particulate filter as it is and oxidation removal is difficult, the exhaust gas should be bypassed without passing through the particulate filter. I do. In step 106, the amount of exhaust gas to be bypassed is calculated. The minimum temperature TFt and the temperature change amount dTF in steps 103 and 104 are obtained when the entire amount of exhaust gas flows into the particulate filter. For example, if the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is halved, That is, the amount of fine particles flowing into the particulate filter is reduced by half, and the required minimum temperature TFt can be reduced. Further, when the exhaust gas temperature is lower than the current temperature TF of the particulate filter, the temperature change amount dTF becomes a negative value, but this absolute value can be reduced. In this way, when the exhaust gas temperature is lower than the current temperature TF of the particulate filter, and the judgment in step 105 is denied without a large difference, in step 107, the valve body 71a is moved to the current shutoff position and the aforementioned By setting the opening degree to an appropriate value between the intermediate position and bypassing a part of the exhaust gas calculated in step 106, accumulation of particulates in the particulate filter can be prevented.
[0095]
Of course, when the temperature of the exhaust gas is very low, the valve body 71a is set at the intermediate position to bypass all the exhaust gas in order to prevent a large decrease in the temperature of the particulate filter. By the way, the currently required amount of oxidizable and removable particulates calculated in step 103 is not limited to the case where only the present amount of discharged particulates can be oxidized and removed. For example, if fuel cut is performed at the time of engine deceleration or the like, the amount of exhausted particulates becomes almost zero. ), When the temperature of the particulate filter actually becomes 100 ° C. or less, the temperature of the particulate filter does not rise immediately at the next engine acceleration, and most of the particulate cannot be oxidized and removed. It becomes. Therefore, it is preferable that the necessary amount of the oxidizable and removable fine particles is always equal to or more than a predetermined amount, that is, the minimum temperature TFt of the particulate filter does not fall below 200 ° C., for example.
[0096]
Also, depending on the operating state of the engine, the amount of discharged particulates may be large and the determination in step 105 may be denied. At this time, too, by exhausting some of the exhaust gas, the amount of discharged particulates, The amount of fine particles flowing into the particulate filter can be reduced, and the accumulation of particulates in the particulate filter can be prevented.
[0097]
FIG. 27 is a second flowchart executed in place of the first flowchart in order to prevent the accumulation of particulates on the particulate filter. This will be described below. This flowchart is also repeated every predetermined time. First, in step 201, it is determined whether the current fuel injection amount TAU is smaller than a predetermined amount TAU1. When this determination is denied, the fuel injection amount TAU is relatively large, and the exhaust gas temperature becomes high. Therefore, the temperature of the particulate filter does not drop significantly, and the valve body 71a remains at one of the shut-off positions. It ends.
[0098]
On the other hand, when the determination in step 201 is affirmative, the exhaust gas temperature decreases, and when all the exhaust gas passes through the particulate filter, the temperature of the particulate filter is significantly reduced, and the amount of particulates that can be removed by oxidation is significantly reduced. The amount of bypass exhaust gas is calculated such that the lower the exhaust gas temperature or the smaller the fuel injection amount, the more exhaust gas bypasses without passing through the particulate filter. In step 203, the opening degree of the valve body 71a is controlled between the one shut-off position and the intermediate position based on the bypass exhaust gas amount.
[0099]
Thus, for example, during fuel cut when the exhaust gas is at a very low temperature, all the exhaust gas is bypassed, and when the exhaust gas is not so low temperature, some of the exhaust gas is bypassed, and the particulate filter is greatly reduced. By preventing the temperature from decreasing, it is possible to maintain the amount of particulates that can be removed by oxidation of the particulate filter relatively high, and prevent the particulate filter from accumulating on the particulate filter.
[0100]
Of course, in this flowchart, when the determination in step 201 is affirmative, all the exhaust gas may be bypassed in order to surely prevent the temperature of the particulate filter from lowering. This flowchart is rougher control than the first flowchart, but is very simple because it does not require complicated calculations. Further, instead of determining the fuel injection amount in step 201, for example, it is detected that the driver has depressed the brake pedal while the vehicle is running. At this time, all the exhaust gas is exhausted because the fuel cut is performed. You may make it bypass. Further, for example, it is detected that the driver has released the accelerator pedal while the vehicle is stopped, and at this time, since the vehicle is idling, the fuel injection amount is small, and all or a part of the exhaust gas is bypassed. You may do it.
[0101]
When the exhaust gas is bypassed according to the first flowchart and the second flowchart, even if the particulates remain on the particulate filter partition walls, no further particulates are deposited on the residual particulates by the exhaust gas bypass. . Thereby, the residual particulates are gradually oxidized and removed by the active oxygen released from the active oxygen releasing agent in the partition. The active oxygen released from the active oxygen releasing agent is finite, and the active oxygen releasing agent must release the active oxygen and use it to oxidize and remove particulates. No new active oxygen can be released. In this way, when all the exhaust gas is bypassed, no new oxygen is supplied around the partition walls, and due to lack of oxygen, the active oxygen releasing agent absorbs and releases oxygen inactively, thereby completely removing the residual particulates. May not be removed by oxidation. Further, the particulates that are not in contact with the active oxygen releasing agent on the partition walls are hardly oxidized due to lack of oxygen. Accordingly, in the first flowchart and the second flowchart, when the exhaust gas is bypassed, it is not always necessary to do so, but without bypassing all the exhaust gas, at least a part of the exhaust gas is And it is preferable that oxygen around the particulate filter partition is not deficient.
[0102]
FIG. 29 is a plan view showing another embodiment of the exhaust gas purification device. The difference from the exhaust gas purification device shown in FIG. 18 is that oxygen is supplied to each of the first connection portion 72a and the second connection portion 72b. That is, oxygen supply devices 74a and 74b are provided. According to the present embodiment, preferably, when a part of the exhaust gas passes through the particulate filter as described above, it is possible to supply oxygen to one of the connection portions 72a or 72b on the exhaust upstream side. Thereby, oxygen shortage around the particulate filter partition is reliably prevented, and the particulates remaining in the particulate filter partition can be reliably oxidized and removed during the exhaust bypass.
[0103]
FIG. 30 is a plan view showing still another embodiment of the exhaust gas purification apparatus. The difference from the exhaust gas purification apparatus shown in FIG. 18 is that a reducing agent such as fuel is supplied to both sides of the particulate filter in a wide range. That is, reducing agent supply devices 75a and 75b are provided. According to the present embodiment, preferably, when a part of the exhaust gas passes through the particulate filter as described above, the reducing agent can be supplied to the exhaust inlet side of the particulate filter. As a result, the reducing agent is satisfactorily burned by an oxidation catalyst such as platinum Pt carried on the particulate filter partition without causing oxygen shortage, and the heat of combustion causes the exhaust inlet of the particulate filter to heat up. In addition to this, the combustion heat causes the exhaust gas to raise the temperature of the exhaust outlet of the particulate filter. In this manner, the temperature of the entire particulate filter is raised, so that the amount of particulates that can be removed by oxidation of the particulate filter is improved, and the residual particulates on the partition walls can be reliably removed by oxidation during the exhaust bypass. In the present embodiment, since the reducing agent supply device supplies the reducing agent directly to the particulate filter, useless use of the reducing agent such as adhering to the inner walls of the connection portions 72a and 72b is prevented, and the reducing agent is used. Can be minimized.
[0104]
Further, in the first and second flowcharts, the exhaust gas that does not pass through the particulate filter, though temporarily, is released into the atmosphere. However, in the first flowchart, except when the amount of discharged particulates is large, when the exhaust gas is at a relatively low temperature, that is, when the fuel injection amount is small and the amount of discharged particulates is very small, It doesn't matter much.
[0105]
By the way, in the wall flow type particulate filter used in this embodiment, the particulates are the exhaust gas upstream surface of the partition wall 54 against which the exhaust gas mainly collides and the exhaust gas flow facing surface in the pores, that is, the partition wall. If the active oxygen is not sufficiently released from the one collecting surface with respect to the collecting particulates, all of them remain without being oxidized and removed. . According to the first flowchart and the second flowchart, such a residual of the particulate is substantially prevented. However, even if the particulate remains on one collecting surface of the partition wall for some reason as shown in FIG. As described above, the valve body 71a in the switching unit 71 can be set to two shutoff positions, that is, the switching between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter is possible. If the valve body 71a is switched to the other shut-off position periodically, irregularly, at a predetermined traveling distance, or after the valve body 71a is set to the intermediate position according to the first flowchart or the second flowchart, Residual and deposited particulates can be removed by oxidation.
[0106]
Because, due to the reversal of the particulate filter on the exhaust upstream side and the exhaust downstream side, no more particulates accumulate on the particulates remaining on one of the collecting surfaces of the partition wall, and from the one collecting surface. The residual particulates are gradually oxidized and removed by the released active oxygen. Further, particularly, the particulates remaining in the pores of the partition walls are easily broken and fragmented by the exhaust gas flow in the opposite direction, as shown in FIG. Move to
[0107]
As a result, many of the finely divided particulates are dispersed in the pores of the partition walls, that is, the particulates flow directly to the active oxygen releasing agent supported on the inner surfaces of the pores of the partition walls. The chance of being oxidized and removed by contact increases. By carrying the active oxygen releasing agent also in the pores of the partition walls, residual particulates can be remarkably easily oxidized and removed. Furthermore, in addition to this oxidation removal, the other trapping surface of the partition wall 54 that has become upstream due to the backflow of the exhaust gas, that is, the exhaust upstream surface of the partition wall 54 where the exhaust gas currently mainly collides and the inside of the pores On the exhaust gas flow-facing surface (which is on the opposite side to the one collecting surface), new particulates in the exhaust gas adhere and are oxidized and removed by the active oxygen released from the active oxygen releasing agent. . A part of the active oxygen released from the active oxygen releasing agent at the time of these oxidative removal moves to the downstream side together with the exhaust gas, and oxidizes and removes the particulates still remaining due to the backflow of the exhaust gas.
[0108]
That is, the residual particulates on one collecting surface of the partition wall include not only the active oxygen released from this collecting surface but also the oxidative removal of particulates on the other collecting surface of the partition wall by the backflow of exhaust gas. The remaining active oxygen used comes from the exhaust gas. Thereby, by reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter and alternately using one collection surface and the other collection surface of the particulate filter partition for collecting particulates, Even if particulates are deposited to some extent on the one collecting surface of the particulate filter partition at the time of reverse rotation, in addition to the fact that active oxygen arrives at the deposited particulates due to the backflow of exhaust gas, Since the particulates do not accumulate, the accumulated particulates are gradually oxidized and removed, and can be sufficiently oxidized and removed during a certain period of time before the next reverse flow. Thus, when the first and second collecting surfaces are used alternately for collecting particulates, each collecting surface is compared to a case where a single collecting surface is used to collect particulates. The amount of trapped particulates at the collecting surface can be reduced, which is advantageous for removing particulates by oxidation.
[0109]
Further, even when a large amount of particulates accumulates on one collection surface of the particulate filter partition when the exhaust gas upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter are reversed, the accumulated particulates are exhausted. Some of the particulates that could not be oxidized and removed in the pores of the partition walls are discharged from the particulate filter because they are relatively easily broken and fragmented by the backflow of gas. The exhaust resistance is not further increased to adversely affect the traveling of the vehicle, and a large amount of the accumulated particulates does not ignite and burn at a time, and the particulate filter is not melted and damaged by a large amount of combustion heat. Further, new particulates can be collected by the other collecting surface of the particulate filter partition wall.
[0110]
When the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas is reduced, the active oxygen releasing agent 61 releases the active oxygen O to the outside at a stretch. Due to the active oxygen O released at once, the deposited particulates are easily oxidized and easily oxidized and removed.
[0111]
On the other hand, if the air-fuel ratio is maintained lean, the surface of platinum Pt is covered with oxygen, and so-called oxygen poisoning of platinum Pt occurs. NO when such oxygen poisoning occursXNO due to reduced oxidizing action onXOf the active oxygen from the active oxygen releasing agent 61 is reduced. However, when the air-fuel ratio is made rich, oxygen on the surface of platinum Pt is consumed, so that oxygen poisoning is eliminated. Therefore, when the air-fuel ratio is switched from rich to lean again, NOXNO due to enhanced oxidizing action onXOf the active oxygen releasing agent 61 increases, thereby increasing the amount of active oxygen released from the active oxygen releasing agent 61.
[0112]
Therefore, when the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich while the air-fuel ratio is maintained lean, oxygen poisoning of platinum Pt is eliminated each time, and active oxygen release when the air-fuel ratio is lean is eliminated. The amount is increased, and thus the oxidizing action of the particulate on the particulate filter 70 can be promoted.
[0113]
Further, since the elimination of the oxygen poisoning is, so to speak, combustion of a reducing substance, the temperature of the particulate filter is increased with heat generation. As a result, the amount of fine particles that can be oxidized and removed in the particulate filter is improved, and the oxidization and removal of residual and deposited particulates is facilitated. If the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich immediately after switching between the exhaust gas upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter by the valve body 71a, the other collecting surface in the particulate filter partition wall in which no particulate remains remains. Since the active oxygen is more easily released than the one collecting surface, the residual particulates on the one collecting surface can be more reliably oxidized and removed by a larger amount of the released active oxygen. Of course, the air-fuel ratio of the exhaust gas may be occasionally made rich irrespective of the switching of the valve body 71a, so that the particulates hardly remain and accumulate on the particulate filter.
[0114]
As a method of making the air-fuel ratio of the exhaust gas rich, for example, the above-described low-temperature combustion may be performed. Of course, it is also possible to switch between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter at the time of switching from the normal combustion to the low-temperature combustion or prior to that. Further, in order to make the air-fuel ratio of the exhaust gas rich, the combustion air-fuel ratio may simply be made rich. Further, in addition to the normal main fuel injection in the compression stroke, fuel may be injected (post-injection) into the cylinder in the exhaust stroke or the expansion stroke by the engine fuel injection valve, or the fuel may be injected into the cylinder in the intake stroke. May be jetted (bi rubber jet). Of course, the post injection or the rubber injection does not necessarily require an interval between the post injection and the rubber injection. It is also possible to supply fuel to the engine exhaust system. Further, as described above, since the low-temperature combustion is performed on the low engine load side, the low-temperature combustion is performed immediately after the fuel cut at the time of engine deceleration. Thus, there are many opportunities to perform low-temperature combustion immediately after the valve body 71a is set to the intermediate position. Further, by supplying the reducing agent by the above-described reducing agent supply device, the air-fuel ratio of the exhaust gas can be made rich.
[0115]
By the way, calcium Ca in the exhaust gas is SO3Is present, calcium sulfate CaSO4Generate This calcium sulfate CaSO4Is difficult to be oxidized and removed, and remains on the particulate filter as ash. Therefore, in order to prevent clogging of the particulate filter due to residual calcium sulfate, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, for example, potassium K, as the active oxygen releasing agent 61. , Whereby SO diffuses into the active oxygen releasing agent 61.3Combines with potassium K to form potassium sulfate K2SO4And calcium Ca is SO3Pass through the partition of the particulate filter without being combined with Therefore, the particulate filter is not clogged by the ash. Thus, as described above, as the active oxygen releasing agent 61, an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr is used. Is preferred.
[0116]
Further, even if only a noble metal such as platinum Pt is supported on a particulate filter as an active oxygen releasing agent, NO retained on the surface of platinum Pt2Or SO3Can release active oxygen. However, in this case, the solid line indicating the amount of fine particles G that can be removed by oxidation moves slightly to the right as compared with the solid line shown in FIG. Ceria can also be used as an active oxygen releasing agent. Ceria absorbs oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas is high (Ce2O3→ 2 CeO2), Release active oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas decreases (2CeO)2→ Ce2O3), It is necessary to make the air-fuel ratio in the exhaust gas rich periodically or irregularly in order to remove particulates by oxidation. Iron or tin may be used instead of ceria.
[0117]
Also, NO in the exhaust gas is used as an active oxygen releasing agent.XNO used for purificationXIt is also possible to use a storage reduction catalyst. In this case, NOXOr SOXIt is necessary to at least temporarily make the air-fuel ratio of the exhaust gas rich in order to discharge the exhaust gas, and it is preferable to perform this enrichment control after the reversal of the upstream and downstream sides of the particulate filter.
[0118]
As described above, it is preferable that the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter can be reversed. However, this is not limited to the present invention, and, of course, is merely the upstream side of the particulate filter and the exhaust side. If necessary, all or a part of the exhaust gas may be bypassed by a bypass passage communicating with the exhaust gas. Further, the diesel engine of the present embodiment is configured to switch between low-temperature combustion and normal combustion, but this is not a limitation of the present invention. The present invention is also applicable to gasoline engines that emit curate.
[0119]
In the present embodiment, the particulate filter itself carries the active oxygen releasing agent, and the particulates are oxidized and removed by the active oxygen released from the active oxygen releasing agent. However, this limits the present invention. Not something. For example, active oxygen and a particulate oxidizing substance such as nitrogen dioxide that functions equivalently to the active oxygen may be released from the particulate filter or a substance carried on the particulate filter, or may flow into the particulate filter from the outside. . Even when the particulate oxidizing substance flows in from the outside, in order to collect the particulates, by alternately using the first collecting surface and the second collecting surface of the collecting wall, the exhaust downstream side and On one of the trapping surfaces, no new particulates are deposited, and the deposited particulates are gradually oxidized and removed by the particulate oxidizing component flowing from the other trapping surface. Can be sufficiently oxidized and removed within a certain period of time. During this time, on the other collecting surface, the particulates are collected and oxidized by the particulate oxidizing component, so that the same effect as described above is obtained. Also in this case, when the temperature of the particulate filter is increased, the temperature of the particulate filter itself is increased to facilitate oxidation and removal.
[0120]
【The invention's effect】
As described above, according to the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the exhaust gas purifying apparatus includes the bypass passage that enables the exhaust gas to bypass the particulate filter disposed in the engine exhaust system. The collected particulates are oxidized, and the particulate filter has an oxidizable and removable particulate amount depending on the temperature of the particulate filter,Calculate the minimum temperature of the particulate filter that results in the particulate filter that can be oxidized and removed, which is required at present, and change the temperature of the particulate filter based on the current particulate filter temperature, the amount of exhaust gas, and the exhaust gas temperature. When the result of adding the amount of temperature change to the current particulate filter temperature falls below the minimum temperature,At least a part of the exhaust gas is bypassed by a bypass passage. As a result, the particulate matter collected by the particulate filter is satisfactorily oxidized and removed by a sufficient amount of fine particles that can be removed by oxidation, and clogging of the particulate filter is prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a diesel engine provided with an exhaust gas purification device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of the combustion chamber of FIG.
FIG. 3 is a bottom view of the cylinder head of FIG. 1;
FIG. 4 is a side sectional view of a combustion chamber.
FIG. 5 is a diagram showing lift and fuel injection of intake and exhaust valves.
FIG. 6: smoke and NOXFIG.
7A is a diagram showing a change in combustion pressure when the amount of generated smoke is the largest when the air-fuel ratio is around 21, and FIG. 7B is a diagram showing a combustion pressure when the amount of generated smoke is almost zero when the air-fuel ratio is around 18; FIG. It is a figure showing a change.
FIG. 8 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a generation amount of smoke and an EGR rate.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between an injected fuel amount and a mixed gas amount.
FIG. 11 is a diagram showing a first operation region I and a second operation region II.
FIG. 12 is a diagram showing an output of an air-fuel ratio sensor.
FIG. 13 is a diagram showing an opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 14 is a diagram showing an air-fuel ratio in a first operation region I.
15A is a diagram showing a map of a target opening of a throttle valve, and FIG. 15B is a diagram showing a map of a target opening of an EGR control valve.
FIG. 16 is a diagram showing an air-fuel ratio in the second combustion.
17A is a diagram showing a map of a target opening of a throttle valve, and FIG. 17B is a diagram showing a map of a target opening of an EGR control valve.
FIG. 18 is a plan view showing the vicinity of a switching unit and a particulate filter in an engine exhaust system.
FIG. 19 is a side view of FIG. 18;
FIG. 20 is a view showing another blocking position of the valve body in the switching unit different from that in FIG. 18;
FIG. 21 is a view showing an intermediate position of a valve body in a switching unit.
FIG. 22A is a front view showing the structure of a particulate filter, and FIG. 22B is a side sectional view showing the structure of the particulate filter.
FIG. 23 is a diagram for explaining the oxidizing action of particulates.
FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of a particulate filter.
FIG. 25 is a view for explaining the accumulation action of particulates.
FIG. 26 is a first flowchart for preventing accumulation of particulates on a particulate filter.
FIG. 27 is a second flowchart for preventing accumulation of particulates on the particulate filter.
FIG. 28 is an enlarged sectional view of a partition wall of the particulate filter.
FIG. 29 is a plan view showing another embodiment near the switching unit and the particulate filter in the engine exhaust system.
FIG. 30 is a plan view showing still another embodiment in the vicinity of the switching unit and the particulate filter in the engine exhaust system.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
16 ... Throttle valve
70 ... Particulate filter
71 switching unit
71a ... valve body

Claims (6)

機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタを排気ガスがバイパスすることを可能とするバイパス通路とを具備し、前記パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、前記パティキュレートフィルタは前記パティキュレートフィルタの温度に依存した酸化除去可能微粒子量を有し、現在必要とされる前記パティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量をもたらす前記パティキュレートフィルタの最低温度を算出し、現在の前記パティキュレートフィルタの温度、排気ガス量、及び排気ガス温度に基づき前記パティキュレートフィルタの温度変化量を算出し、現在の前記パティキュレートフィルタの温度に前記温度変化量を加えた結果が前記最低温度を下回る時には、排気ガスの少なくとも一部を前記バイパス通路によってバイパスさせることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。A particulate filter disposed in the engine exhaust system, and a bypass passage that enables exhaust gas to bypass the particulate filter, wherein the collected particulates are oxidized in the particulate filter; The particulate filter has an amount of particulates that can be removed by oxidation depending on the temperature of the particulate filter, and calculates the minimum temperature of the particulate filter that provides the quantity of particulates that can be removed by oxidation of the particulate filter that is required at present. Calculating the temperature change of the particulate filter based on the current temperature of the particulate filter, the exhaust gas amount, and the exhaust gas temperature, and adding the temperature change to the current temperature of the particulate filter. When the temperature falls below the minimum temperature An exhaust purification device of an internal combustion engine, characterized in that to bypass by the bypass passage at least a portion of the exhaust gas. 前記パティキュレートフィルタには活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。2. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein an active oxygen releasing agent is supported on the particulate filter, and active oxygen released from the active oxygen releasing agent oxidizes the particulates. 3. 前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。3. The active oxygen releasing agent according to claim 2, wherein, when excess oxygen is present in the surroundings, the active oxygen releasing agent takes in oxygen to hold the oxygen and releases the held oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. An exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 1. 前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとNOXを酸素と結合させて保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると結合させたNOX及び酸素をNOXと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。The active oxygen release agent, to decompose the NO X and oxygen coupled with the oxygen concentration of the to and surrounding hold the NO X is combined with oxygen when excess oxygen exists around drops and NO X and the active oxygen The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the exhaust gas is discharged. 前記バイパス通路によって排気ガスの少なくとも一部をバイパスさせる時に前記パティキュレートフィルタへ酸素を供給することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 5. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein oxygen is supplied to the particulate filter when at least a part of the exhaust gas is bypassed by the bypass passage . 前記パティキュレートフィルタは酸化機能を有し、バイパス通路によって排気ガスの少なくとも一部をバイパスさせる時に前記パティキュレートフィルタへ還元剤を供給することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 5. The particulate filter according to claim 1, wherein the particulate filter has an oxidizing function, and supplies a reducing agent to the particulate filter when at least a part of the exhaust gas is bypassed by a bypass passage. 6. Exhaust purification device for internal combustion engine.
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