JP3558055B2 - 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】
従来、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置した内燃機関の排気浄化装置が知られている。この種の内燃機関の排気浄化装置の例としては、例えば特公平7−106290号公報に記載されたものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが特公平7−106290号公報には、パティキュレートフィルタに担持されている触媒が、周囲に過剰酸素が存在する時に酸素を取り込んで酸素を保持する点について開示されていない。また特公平7−106290号公報には、パティキュレートフィルタに担持されている触媒が、周囲の酸素濃度が低下した時にその保持した酸素を活性酸素の形で放出する点についても開示されていない。従って特公平7−106290号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置の触媒では、周囲に過剰酸素が存在する時に酸素を取り込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下した時にその保持した酸素を活性酸素の形で放出することができない。それゆえ、特公平7−106290号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置では、活性酸素を放出する触媒を必要に応じて再生することもできない。
【0004】
また従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は600℃程度以上の高温にならないと着火燃焼せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、600℃よりもかなり低い。従って排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼させるのは困難である。
【0005】
一方、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子にNOを反応させると比較的低温であっても微粒子を着火燃焼せしめることができる(NO+C→NO+CO,NO+CO→NO+CO,2NO+C→2NO+CO)。しかしながら排気ガス中に含まれる窒素酸化物の大部分はNOであり、従ってNOとの反応により微粒子を着火燃焼せしめるためにはNOをNOに変換しなければならない。この場合、パティキュレートフィルタ上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、この酸化触媒によりNOを酸化させるようにすればNOをNOに変換することができ、斯くして比較的低温であってもパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることができる。
【0006】
一方、排気ガス温が一定温度、例えば350℃よりも低い時には排気ガス中のNOを吸収し、排気ガス温が350℃を越えると吸収したNOをNOの形で放出するNO吸収剤が公知である。このNO吸収剤は例えばカリウムK、ナトリウムNa、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ptのような貴金属とにより構成されている。このNO吸収剤を用いると排気ガス温が350℃よりも高くなった時にNO吸収剤からNOが放出され、NOが白金Ptにより酸化されてNOとなり、斯くしてパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を更に着火燃焼しやすくなる。
【0007】
ところが酸化触媒によるNOからNOへの変換作用は排気ガス温に依存しており、この変換作用は一定の排気ガス温範囲内においてのみ行われる。従って排気ガスがこの排気ガス温範囲外になった時にはもはやNOからNOへの変換作用は行われず、斯くしてパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることができなくなる。また、NO吸収剤を用いた場合にもNO吸収剤からNOが放出されるのは350℃以上の限られた排気ガス温範囲内であり、しかもNO吸収剤から放出されるNOの量には限度がある。
【0008】
そこでパティキュレートフィルタ上流の排気通路内に酸化触媒を配置すると共にパティキュレートフィルタ上にNO吸収剤を担持させ、酸化触媒によるNOからNOへの変換作用が行われる中負荷運転状態及びNO吸収剤からNOが放出されてNOとなる中負荷運転状態になった時にはこれらNOによりパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめ、これらNOの発生が期待できない高負荷運転時には排気ガス温を600℃以上まで上昇させることによってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼させ、これらNOの発生が期待できない低負荷運転時には電気ヒータにより排気ガス温を上昇させてNOを発生させ、更に排気ガス温が低くなる極めて負荷が低い時には排気通路内に軽油及び2次空気を供給して軽油の燃焼熱によりパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼させるようにしたディーゼル機関が公知である(特開平8−338229号公報参照)。
【0009】
このように従来よりパティキュレートフィルタは排気ガス中の微粒子を捕集するためのものであると考えられており、従って従来ではパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子、即ちパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した微粒子をどのようにして着火燃焼せしめるかに全ての努力が払われていた。即ち、微粒子は一旦パティキュレートフィルタ上において積層状に堆積してしまうと着火燃焼しづらくなり、この場合、堆積した微粒子を着火燃焼せしめるには600℃以上の高温が必要となる。従って従来ではどのような方法によって600℃以上の高温を作るかが一つの焦点となっていた。
【0010】
一方、前述したようにパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子にNOを反応させると比較的低温であっても微粒子が着火燃焼せしめられ、従ってこの場合には600°以上の高温を作らなくてもパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子を着火燃焼せしめることができる。しかしながらNOを発生させることのできる運転領域は限られているのであらゆる運転領域において比較的低温でもって微粒子を着火燃焼することができない。いずれにしても従来ではパティキュレートフィルタは微粒子を捕集するためのものであることを前提とし、パティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した微粒子をどのようにして着火燃焼せしめるかに焦点が絞られていた。
【0011】
しかしながらこのような従来の既成概念を捨て、微粒子の挙動を詳細に研究した結果、一定の条件を満たすと微粒子はパティキュレートフィルタ上に捕集されず、微粒子がパティキュレートフィルタに付着するや否や短時間のうちに酸化せしめられることが判明したのである。別の言い方をすると微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する前に微粒子を酸化させることができればパティキュレートフィルタ上に微粒子が捕集されることなく、ほぼ100%排気ガス中の微粒子を除去することができることが判明したのである。
【0012】
また、微粒子の挙動を詳細に研究した結果、パティキュレートフィルタに、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を保持し、かつ周囲の過剰酸素が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持すると、放出される活性酸素によってパティキュレートを酸化除去する能力が格段に向上することが判明した。さらに研究を進めると、この酸素吸蔵・活性酸素放出剤は、排気ガス中に含まれる特定の成分によって、被毒を受けると、周囲の過剰酸素が低下しても活性酸素は放出されづらく、もってパティキュレートの酸化能力をさほど向上させることができないことが判明したのである。
【0013】
上記問題点に鑑み、本発明は、微粒子を活性酸素により酸化させると共に、パティキュレートフィルタを必要に応じて再生することにより内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制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を目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置した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上では捕集微粒子が酸化させられ、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードと、前記パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを具備し、第一の運転モードと第二の運転モードとを必要に応じて切り換えるようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、第一の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行され、第一の運転モードが選択されている時であって機関中高負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に低温燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時に副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角され、第二の運転モードが選択されている時であって機関高負荷運転時に通常燃焼が実行されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0015】
請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードとパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとが必要に応じて切り換えられる。そのため、内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制することができる。詳細には、原則的に内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードが選択され、パティキュレートフィルタを再生することが必要になった時にパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択される。そのため、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。また、パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時に副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角される。そのため、低温燃焼を実行可能な機関低負荷運転時でなく、かつ、高温排気ガスを排出可能な機関高負荷運転時でない機関中負荷運転時であってもパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度を高くすることができ、それゆえ、パティキュレートフィルタを再生することができる。
【0016】
請求項2に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタが酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持し、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤から放出された活性酸素が前記パティキュレートフィルタ上で捕集微粒子を酸化す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が提供される。
【0017】
請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤から放出された活性酸素が捕集微粒子を酸化させるために、従来の場合のように微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した後にその微粒子が輝炎を発して除去されるのと異なり、微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する前に、輝炎を発することなくその微粒子を酸化除去することができる。
【0018】
請求項3に記載の発明によれば、前記酸素吸蔵・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り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が提供される。
【0019】
請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートの付着等によって周囲の酸素濃度が低下すれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は自然に活性酸素を放出して捕集微粒子を酸化除去することができる。
【0020】
請求項4に記載の発明によれば、前記酸素吸蔵・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請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0021】
請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は排気ガス中のNOも吸蔵し、パティキュレートの付着等によって周囲の酸素濃度が低下すれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は自然に活性酸素を放出して捕集微粒子を酸化除去することができる。
【0024】
請求項に記載の発明によれば、第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時、低温燃焼が実行されている場合には空燃比をリーン化し、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合には主燃料噴射時期を進角させ、通常燃焼が実行されている場合には燃料噴射時期を進角させるようにした請求項1から4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0025】
請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されて低温燃焼が実行されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には空燃比がリーン化される。そのため、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されて副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には主燃料噴射時期が進角される。そのため、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されて通常燃焼が実行されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には燃料噴射時期が進角される。そのため、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。つまり、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【0026】
請求項に記載の発明によれば、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合に主燃料噴射時期を進角させる時には、副燃料噴射を中止するようにした請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0027】
請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置では、第二の運転モードが選択されている時であってパティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合に主燃料噴射時期を進角させる時には、副燃料噴射が中止される。そのため、そのような時に副燃料噴射を実行するのに伴ってHCが増大し、パティキュレートフィルタの床温上昇の低下度合いが小さくなってしまうのを回避することができる。
【0028】
請求項に記載の発明によれば、第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には、第一の運転モードが選択されている時に実行される燃焼を割り込み実行するようにした請求項1からのいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0029】
請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードが選択されている時に実行される燃焼であって、詳細にはパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が比較的低くなる燃焼が割り込み実行される。そのため、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【0030】
請求項に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定するようにした請求項5から7のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0031】
請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かが、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的容易に判定することができる。
【0032】
請求項に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを排気ガス温度に基づいて判定するようにした請求項5から7のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0033】
請求項に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かが排気ガス温度に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的正確に判定することができる。
【0034】
請求項10に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタに微粒子が所定量堆積したと推定された時に第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行うようにした請求項1からのいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0035】
請求項10に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタに微粒子が所定量堆積したと推定された時に内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードからパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードへの切り換えが行われる。そのため、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【0036】
請求項11に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する触媒を配置した請求項1から10のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0037】
請求項11に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する触媒が配置される。そのため、排気ガスがその触媒を通過する際に酸化せしめられ、その酸化熱によりパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの温度を上昇させることができ、パティキュレートフィルタの温度を比較的高い温度に維持することができる。また、微粒子のバインダとして作用するSOFがその触媒により酸化せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタにおいて微粒子が堆積しづらくなるようにすることができる。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【0039】
図1は本発明の内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関に適用した第一の実施形態を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気マニホルド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を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18が配置される。図1に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置18内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。また吸気ダクト13内には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ44、吸気管負圧を検出するための負圧センサ45、及び吸気温度を検出するための吸気温度センサ46が配置される。
【0040】
一方、排気ポート10は排気マニホルド19及び排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結され、排気タービン21の出口はパティキュレートフィルタ22a及び酸化機能を有する吸蔵還元型NO触媒22bを内蔵したケーシング23に連結される。吸蔵還元型NO触媒22bはパティキュレートフィルタ22aの排気ガス流れ上流側に配置されている。尚、本実施形態の変形例では、吸蔵還元型NO触媒22bの代わりに、酸化機能を有する任意の酸化触媒を配置することが可能である。また、本実施形態の変形例では、パティキュレートフィルタ22a及び吸蔵還元型NO触媒22bを隣接して配置する代わりに、例えば吸蔵還元型NO触媒22bをパティキュレートフィルタ22aから離間させて配置することも可能である。排気マニホルド19内には空燃比センサ47が配置され、また、ケーシング23の上流側の排気管20内にはケーシング23内に流入する排気ガスの温度である入りガス温度を検出するための入りガス温度センサ39aが配置され、ケーシング23の下流側の排気管20内にはケーシング23から流出する排気ガスの温度である出ガス温度を検出するための出ガス温度センサ39bが配置される。
【0041】
排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路24を介して互いに連結され、EGR通路24内には電気制御式EGR制御弁25が配置される。また、EGR通路24周りにはEGR通路24内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置26が配置される。図1に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置26内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。更に冷却装置26に対しEGRガス流れ上流側には冷却装置26内に流入するEGRガスを浄化するためのパイプ触媒22cが配置される。一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28から燃料が供給され、コモンレール27内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ29が取付けられ、燃料圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐出量が制御される。
【0042】
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35及び出力ポート36を具備する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、入りガス温度センサ39a及び出ガス温度センサ39bの出力信号はそれぞれ対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。エアフローメータ44の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力され、負圧センサ45の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力され、吸気温度センサ46の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。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、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。気筒内の燃焼圧を検出するための燃焼圧センサ43の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステップモータ16、EGR制御弁25、及び燃料ポンプ28に接続される。
【0043】
図2にパティキュレートフィルタ22aの構造を示す。なお、図2において(A)はパティキュレートフィルタ22aの正面図を示しており、(B)はパティキュレートフィルタ22aの側面断面図を示している。図2(A)及び(B)に示されるようにパティキュレートフィルタ22aはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路50,51を具備する。これら排気流通路は下流端が栓52により閉塞された排気ガス流入通路50と、上流端が栓53により閉塞された排気ガス流出通路51とにより構成される。なお、図2(A)においてハッチングを付した部分は栓53を示している。従って排気ガス流入通路50及び排気ガス流出通路51は薄肉の隔壁54を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路50及び排気ガス流出通路51は各排気ガス流入通路50が4つの排気ガス流出通路51によって包囲され、各排気ガス流出通路51が4つの排気ガス流入通路50によって包囲されるように配置される。パティキュレートフィルタ22aは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路50内に流入した排気ガスは図2(B)において矢印で示されるように周囲の隔壁54内を通って隣接する排気ガス流出通路51内に流出する。
【0044】
本発明による実施形態では各排気ガス流入通路50及び各排気ガス流出通路51の周壁面、即ち各隔壁54の両側表面上、栓53の外端面及び栓52,53の内端面上には全面に亘って例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒、及び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酸素吸蔵・活性酸素放出剤が担持されている。この場合、本発明による実施形態では貴金属触媒として白金Ptが用いられており、酸素吸蔵・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。なお、この場合酸素吸蔵・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。
【0045】
次にパティキュレートフィルタ22aによる排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金Pt及びカリウムKを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、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微粒子除去作用が行われる。図1に示されるような圧縮着火式内燃機関では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5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図1に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室5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5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22aの排気ガス流入通路50内に流入することになる。
【0046】
図3(A)及び(B)は排気ガス流入通路50の内周面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表している。なお、図3(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を含んでいる酸素吸蔵・活性酸素放出剤を示している。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22aの排気ガス流入通路50内に流入すると図3(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上で酸化されつつ酸素吸蔵・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3(A)に示されるように硝酸イオンNO の形で酸素吸蔵・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。
【0047】
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酸素吸蔵・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酸素吸蔵・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−の形で酸素吸蔵・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。このようにして酸素吸蔵・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。
【0048】
一方、燃焼室5内においては主にカーボンCからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ22aの排気ガス流入通路50内を流れている時に、或いは排気ガス流入通路50から排気ガス流出通路51に向かう時に図3(B)において62で示されるように担体層の表面、例えば酸素吸蔵・活性酸素放出剤61の表面上に接触し、付着する。
【0049】
このように微粒子62が酸素吸蔵・活性酸素放出剤61の表面上に付着すると微粒子62と酸素吸蔵・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酸素吸蔵・活性酸素放出剤61内との間で濃度差が生じ、斯くして酸素吸蔵・活性酸素放出剤61内の酸素が微粒子62と酸素吸蔵・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、酸素吸蔵・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が微粒子62と酸素吸蔵・活性酸素放出剤61との接触面に向かい、NOが酸素吸蔵・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、再び酸素吸蔵・活性酸素放出剤61内に吸収される。
【0050】
一方、この時酸素吸蔵・活性酸素放出剤61に形成されている硫酸カリウムKSOは、強固に結びついているため、カリウムKと酸素OとSOとに分解されづらい。それゆえ、周囲の温度が低い時には、酸素濃度が低下しても活性酸素を放出しづらい。
【0051】
一方、微粒子62と酸素吸蔵・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。従って微粒子62と酸素吸蔵・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が微粒子62に接触すると微粒子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、微粒子62を酸化する活性酸素Oは、酸素吸蔵・活性酸素放出剤61へNO及びSOが吸収されてい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酸素吸蔵・活性酸素放出剤61内において硝酸イオンNO の型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。微粒子62はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、パティキュレートフィルタ22a上に付着した微粒子62は活性酸素Oによって酸化せしめられるがこれら微粒子62は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【0052】
従来のようにパティキュレートフィルタ22a上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられる時にはパティキュレートフィルタ22aが赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、従ってこのような火炎を伴う燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ22aの温度を高温に維持しなければならない。
【0053】
これに対して本発明では微粒子62は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、この時パティキュレートフィルタ22aの表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると本発明では従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子62が酸化除去せしめられている。従って本発明による輝炎を発しない微粒子62の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【0054】
ところで白金Pt及び酸素吸蔵・活性酸素放出剤61はパティキュレートフィルタ22aの温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに酸素吸蔵・活性酸素放出剤61が放出する活性酸素Oの量はパティキュレートフィルタ22aの温度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、微粒子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22a上において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はパティキュレートフィルタ22aの温度が高くなるほど増大する。
【0055】
図5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5において横軸はパティキュレートフィルタ22aの温度TFを示している。なお、図5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22a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5に示されるように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。
【0056】
さて、単位時間当りに燃焼室5から排出される微粒子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Gよりも少ない時、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よりも少ない時、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よりも少ない時、即ち図5の領域Iでは燃焼室5から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ22a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。
【0057】
これに対し、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い時、即ち図5の領域IIでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図4(A)〜(C)はこのような場合における微粒子の酸化の様子を示している。
【0058】
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図4(A)に示すように微粒子62が酸素吸蔵・活性酸素放出剤61上に付着すると微粒子62の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。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微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図4(B)に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分63によって覆われるようになる。
【0059】
このような残留微粒子部分63は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、担体層の表面が残留微粒子部分63によって覆われると白金PtによるNO,SOの酸化作用及び酸素吸蔵・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ために残留微粒子部分63は酸化されることなくそのまま残り、斯くして図4(C)に示されるように残留微粒子部分63の上に別の微粒子64が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積すると、これら微粒子64は、白金Ptや酸素吸蔵・活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易い微粒子であっても活性酸素Oによって酸化されることはない。従ってこの微粒子64上に更に別の微粒子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22a上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ22aの温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【0060】
このように図5の領域Iでは微粒子はパティキュレートフィルタ22a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5の領域IIでは微粒子がパティキュレートフィルタ22a上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ22a上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Mを常時酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくしておく必要がある。
【0061】
図5からわかるように本発明の実施形態で用いられているパティキュレートフィルタ22aではパティキュレートフィルタ22aの温度TFがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、従って図1に示す圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量M及びパティキュレートフィルタ22aの温度TFを排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも常時少なくなるように維持することが可能である。排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも常時少ないと、パティキュレートフィルタ22a上に微粒子が全く堆積せず、斯くして背圧が全く上昇しない。従って機関出力は全く低下しない。一方で、酸化除去可能微粒子量Gを排出微粒子量Mよりも常時多くするために、常時、燃料噴射量を増加させて排気ガス温度を高くしパティキュレートフィルタ22aの温度TFを高くしておくと、内燃機関の燃費は低下してしまう。
【0062】
一方、前述したように一旦微粒子がパティキュレートフィルタ22a上において積層状に堆積するとたとえ排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなったとしても活性酸素Oにより微粒子を酸化させることは困難である。しかしながら酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめている時に、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していない時に排気微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Oによって輝炎を発することなく酸化除去される。従って、必要に応じて排出微粒子量Mを酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくし、かつ排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより多くなったとしても図4(B)に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分63によって覆われないように、即ち排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより少なくなった時に酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ22a上に積層しないように、通常は内燃機関の燃費を向上させるべく排出微粒子量M及びパティキュレートフィルタ22aの温度TFを維持することも可能である。
【0063】
機関始動直後はパティキュレートフィルタ22aの温度TFは低く、従ってこの時には排出微粒子量Mの方が酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなる。従って実際の運転を考えるとこのように制御する方が現実に合っていると考えられる。パティキュレートフィルタ22a上に微粒子が積層状に堆積した場合には、排気ガスの一部又は全体の空燃比を一時的にリッチにし排気ガスを後燃えさせてパティキュレートフィルタ22aの温度TFを上昇させることによりパティキュレートフィルタ22aの状態を図5の領域I内に位置せしめ、それによりパティキュレートフィルタ22a上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させることができる。この場合、即ち排気ガス中の酸素濃度を低下させた場合には、酸素吸蔵・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、これら一気に放出された活性酸素Oによって堆積した微粒子は酸化され易いものとなって容易に酸化除去される。
【0064】
一方、排気ガスの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、斯くして酸素吸蔵・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、斯くして酸素吸蔵・活性酸素放出剤61からの活性酸素放出量が増大する。
【0065】
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22a上における微粒子の酸化作用を促進することができる。
【0066】
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。
【0067】
排気ガスの空燃比をリッチにするに際し、パティキュレートフィルタ22a上において微粒子が積層状に堆積したと判定された時に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよいし、そのような判定を行うことなく周期的又は不定期に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよい。排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば機関負荷が比較的低い時にEGR率(EGRガス量/(吸入空気量+EGRガス量))が65パーセント以上となるようにスロットル弁17の開度及びEGR制御弁25の開度を制御し、この時燃焼室5内における平均空燃比がリッチになるように噴射量を制御する方法を用いることができる。また、排気ガスの空燃比をリッチにするのに、圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、排気行程又は膨張行程において気筒内へ燃料を噴射しても良く、又は、吸気行程において気筒内へ燃料を噴射しても良い。これらの追加の燃料噴射は、主燃料噴射との間にインターバルを設けなくても良い。また、機関排気系に直接的に燃料を噴射しても良い。
【0068】
ところで、機関高負荷運転時には、比較的高温の排気ガスがパティキュレートフィルタ22aに供給される。従って、その高温の排気ガスによってパティキュレートフィルタ22aの温度TFが上昇せしめられることにより、パティキュレートフィルタ22a上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化させられる一方、機関中負荷運転時においてパティキュレートフィルタ22aに供給される排気ガス温度は機関高負荷運転時にパティキュレートフィルタ22aに供給される排気ガス温度ほど高くない。従って、機関中負荷運転時には、排気ガスによりパティキュレートフィルタ22a上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させるようにパティキュレートフィルタ22aの温度TFを上昇させることができない。そのため本実施形態では、パティキュレートフィルタ22a上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させるために、副燃料噴射を実行すると共に主燃料噴射時期を遅角して未燃燃料を機関排気通路内で後燃えさせ、それに伴って温度上昇した排気ガスをパティキュレートフィルタ22aに供給するようにしている。
【0069】
ところで燃料や潤滑油はカルシウムCaを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムCaが含まれている。このカルシウム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は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムCaSOが生成されるとこの硫酸カルシウムCaSOによってパティキュレートフィルタ22aの細孔が閉塞されてしまい、その結果排気ガスがパティキュレートフィルタ22a内を流れづらくなる。この場合、酸素吸蔵・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を用いると酸素吸蔵・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22aの隔壁54を通過して排気ガス流出通路51内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ22aの細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように酸素吸蔵・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。
【0070】
図6は内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードとパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを示した図である。詳細には、図6(A)は第一の運転モードを示しており、図6(B)は第二の運転モードを示している。図6において縦軸は要求負荷Lを示しており、横軸は機関回転数Nを示している。本実施形態では、通常は、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード(図6(A))が選択され、パティキュレートフィルタ22a上に堆積した微粒子を酸化除去することによりパティキュレートフィルタ22aを再生すべき時には、パティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))が選択される。
【0071】
詳細には図6(A)に示すように、第一の運転モードは機関低負荷運転領域A1と機関中高負荷運転領域A2とに分割されている。第一の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関低負荷運転領域A1内にある時には、後で詳細に説明する低温燃焼、つまり、煤の発生量がピークとなるEGRガス量よりも燃焼室5内に供給されるEGRガス量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びNOの発生量が同時に抑制される。一方、第一の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関中高負荷運転領域A2内にある時には、煤の発生量がピークとなるEGRガス量よりも燃焼室5内に供給されるEGRガス量が少ない通常燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びNOの発生量が同時に抑制される。
【0072】
図6(B)に示すように、第二の運転モードは機関低負荷運転領域B1と機関中負荷運転領域B2と機関高負荷運転領域B3とに分割されている。第二の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関低負荷運転領域B1内にある時には、第一の運転モードと同様に低温燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びNOの発生量が同時に抑制される。その上、EGRガス量を増加させる低温燃焼時には排気ガスの空燃比がリッチになるため、排気ガス中の未燃燃料が機関排気通路内で後燃えしてパティキュレートフィルタ22aの温度が上昇すると共に活性酸素の放出量が増加し、その結果、パティキュレートフィルタ22aが再生せしめられる。第二の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関中負荷運転領域B2内にある時には、主燃料噴射に加えて副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角される。副燃料は燃焼室5内においてすべて燃焼することなく機関排気通路内に供給され、機関排気通路内において後燃えする。同様に噴射時期が遅角された主燃料も燃焼室5内においてすべて燃焼することなく機関排気通路内に供給され、機関排気通路内において後燃えする。それにより、パティキュレートフィルタ22aの温度が上昇せしめられ、パティキュレートフィルタ22aが再生せしめられる。第二の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関高負荷運転領域B3内にある時には、第一の運転モードと同様に通常燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びNOの発生量が同時に抑制される。その上、機関高負荷運転時には排気ガス温度が比較的高温になるため、その排気ガスによりパティキュレートフィルタ22aの温度が上昇せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタ22aが再生せしめられる。
【0073】
図7は本実施形態の運転制御方法を示したフローチャートである。図7に示すように、本ルーチンが開始されると、まずステップ100においてパティキュレートフィルタ22aを再生させるタイミングであるか否かが判定される。具体的には、パティキュレートフィルタ22aに微粒子が所定量堆積したと推定された時にパティキュレートフィルタ22aを再生させるタイミングであると判定され、パティキュレートフィルタ22aに堆積している微粒子量が所定量未満になったと推定された時にパティキュレートフィルタ22aを再生させるタイミングでないと判定される。詳細には、第一の運転モードの下での燃焼が行われている時にパティキュレートフィルタ22aの容量に基づいて定められた所定期間が経過した時、パティキュレートフィルタ22aに微粒子が所定量堆積したと推定される。一方、第二の運転モードの下での燃焼が行われている時にパティキュレートフィルタ22aの容量に基づいて定められた所定期間が経過した時、パティキュレートフィルタ22aの再生が終了したと推定される。他の実施形態では、その代わりに、内燃機関を搭載した車両が所定距離走行した時にパティキュレートフィルタ22aに微粒子が所定量堆積したと推定してもよい。あるいは、パティキュレートフィルタ22aの排気ガス流れ上流側に背圧センサ(図示せず)を設け、背圧が上昇した時にパティキュレートフィルタ22aに微粒子が所定量堆積したと推定し、背圧が低下した時にパティキュレートフィルタ22aの再生が終了したと推定してもよい。ステップ100においてNOと判定された時にはステップ101に進み、ステップ100においてYESと判定された時にはステップ102に進む。ステップ102に進む。ステップ101では、図6(A)に示した第一の運転モードの下での機関の運転が行われる。一方、ステップ102では、図6(B)に示した第二の運転モードの下での機関の運転が行われる。
【0074】
図8は図7のステップ101において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。図8に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ200において、機関運転状態が図6(A)の機関低負荷運転領域A1内にあるか否かが判定される。YESの時にはステップ201に進み、NOの時にはステップ207に進む。ステップ201では図10(A)に示すマップからスロットル弁17の目標開度STが算出され、スロットル弁17の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ202では図10(B)に示すマップからEGR制御弁25の目標開度SEが算出され、EGR制御弁25の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ203ではエアフローメータ44により検出された吸入空気量Gaが取込まれ、次いでステップ204では図9(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ205では吸入空気量Gaと目標空燃比A/Fに基づいて空燃比を目標空燃比A/Fとするのに必要な燃料噴射量Qが算出される。次いでステップ206では図11に示すマップから目標燃料噴射開始時期θSが算出される。
【0075】
図9(A)は機関低負荷運転領域A1における目標空燃比A/Fを示している。図9(A)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目標空燃比が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9(A)に示されるように機関低負荷運転領域A1では空燃比がリーンとなっており、更に機関低負荷運転領域A1では要求負荷Lが低くなるほど目標空燃比A/Fがリーンとされる。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9(A)に示されるように要求負荷Lが低くなるにつれて目標空燃比A/Fが大きくされる。目標空燃比A/Fが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本発明による実施形態では要求負荷Lが低くなるにつれて目標空燃比A/Fが大きくされる。
【0076】
図9(A)に示される目標空燃比A/Fは図9(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。また、空燃比を図9(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なスロットル弁17の目標開度STが図10(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9(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なEGR制御弁25の目標開度SEが図10(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。
【0077】
一方、ステップ207では図12(A)に示されるマップから目標燃料噴射量Qが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Qとされる。次いでステップ208では図12(B)に示されるマップから目標燃料噴射開始時期θSが算出され、燃料噴射開始時期がこの目標燃料噴射開始時期θSとされる。次いでステップ209では図14(A)に示すマップからスロットル弁17の目標開度STが算出される。次いでステップ210では図14(B)に示すマップからEGR制御弁25の目標開度SEが算出され、EGR制御弁25の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ211ではエアフローメータ44により検出された吸入空気量Gaが取込まれる。次いでステップ212では燃料噴射量Qと吸入空気量Gaから実際の空燃比(A/F)が算出される。次いでステップ213では図13(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ214では実際の空燃比(A/F)が目標空燃比A/Fよりも大きいか否かが判別される。(A/F)>A/Fの時にはステップ215に進んでスロットル開度の補正値ΔSTが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ217へ進む。これに対して(A/F)≦A/Fの時にはステップ216に進んで補正値ΔSTが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ217に進む。ステップ217ではスロットル弁17の目標開度STに補正値ΔSTを加算することにより最終的な目標開度STが算出され、スロットル弁17の開度がこの最終的な目標開度STとされる。即ち、実際の空燃比(A/F)が目標空燃比A/Fとなるようにスロットル弁17の開度が制御される。
【0078】
図13(A)は通常燃焼が行われる時の目標空燃比A/Fを示している。なお、図13(A)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。図13(A)に示される目標空燃比A/Fは図13(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。また、空燃比を図13(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なスロットル弁17の目標開度STが図14(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13(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なEGR制御弁25の目標開度SEが図14(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。また、通常燃焼が行われている時には燃料噴射量Qは要求負荷L及び機関回転数Nに基づいて算出される。この燃料噴射量Qは図12(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内に記憶されている。同様に、通常燃焼が行われている時には燃料噴射開始時期θSは要求負荷L及び機関回転数Nに基づいて算出される。この燃料噴射開始時期θSは図12(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。
【0079】
以下、上述した低温燃焼について詳細に説明する。図15は機関低負荷運転時にスロットル弁17の開度及びEGR率を変化させることにより空燃比A/F(図15の横軸)を変化させた時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15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)以下の時にはEGR率は65パーセント以上となっている。図15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HC,COの発生量は増大し始める。
【0080】
図16(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16(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16(A)と図16(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16(B)に示す場合は、スモークの発生量が多い図16(A)に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【0081】
図15及び図16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15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16からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図16(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこの時の燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0082】
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15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燃焼室5から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17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17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15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。このHCが機関排気通路内で後燃えし、排気ガス温度が上昇せしめられることになる。
【0083】
図15及び図16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上になると煤が生成されることが判明したのである。
【0084】
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。
【0085】
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周りのガスの吸熱作用が極めて大きく影響することが判明している。即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼する。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、この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。
【0086】
一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制するには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【0087】
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が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、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。
【0088】
図18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時のEGR率とスモークとの関係を示している。即ち、図18において曲線AはEGRガスを強力に冷却してEGRガス温をほぼ90℃に維持した場合を示しており、曲線Bは小型の冷却装置でEGRガスを冷却した場合を示しており、曲線CはEGRガスを強制的に冷却していない場合を示している。図18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18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。また、図18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18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。
【0089】
図19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、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19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いる。
【0090】
図19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19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19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19に示す実施形態では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15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19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。
【0091】
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19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。ところで過給が行われていない場合には燃焼室5内に吸入される全吸入ガス量Xの上限はYであり、従って図19において要求負荷がLよりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてEGRガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がLよりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてEGR率が低下し、斯くして要求負荷がLよりも大きい領域では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しえなくなる。
【0092】
ところが、図示しないがEGR通路を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャの空気吸込管内にEGRガスを再循環させると要求負荷がLよりも大きい領域においてEGR率を55パーセント以上、例えば70パーセントに維持することができ、斯くして燃料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ことができる。即ち、空気吸込管内におけるEGR率が例えば70パーセントになるようにEGRガスを再循環させれば排気ターボチャージャのコンプレッサにより昇圧された吸入ガスのEGR率も70パーセントとなり、斯くしてコンプレッサにより昇圧しうる限度ま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ことができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。要求負荷がLよりも大きい領域でEGR率を55パーセント以上にする際にはEGR制御弁が全開せしめられる、スロットル弁が若干閉弁せしめられる。
【0093】
前述したように図19は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが空気量を図19に示される空気量よりも少なくしても、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、また空気量を図19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。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時、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。このように、低温燃焼が行われている時に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。
【0094】
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比較的少ない機関低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施形態では機関低負荷運転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低温燃焼を行うようにし、機関中高負荷運転時には通常燃焼を行うようにしている。なお、ここで低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、通常燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【0095】
次に図20を参照しつつ図6(A)に示した機関低負荷運転領域A1及び機関中高負荷運転領域A2における運転制御について説明する。図20は要求負荷Lに対するスロットル弁17の開度、EGR制御弁25の開度、EGR率、空燃比、噴射時期、及び、噴射量を示している。図20に示されるように要求負荷Lの低い機関低負荷運転領域A1ではスロットル弁17の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近くから2/3開度程度まで徐々に増大せしめられ、EGR制御弁25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20に示される例では機関低負荷運転領域A1におけるEGR率はほぼ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。
【0096】
言い換えると機関低負荷運転領域A1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17の開度及びEGR制御弁25の開度が制御される。また、機関低負荷運転領域A1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。なお、アイドル運転時にはスロットル弁17は全閉近くまで閉弁され、この時にはEGR制御弁25も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁17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、アイドル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17が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【0097】
一方、機関の運転領域が機関低負荷運転領域A1から機関中高負荷運転領域A2に変わるとスロットル弁20の開度が2/3開度程度から全開方向へステップ状に増大せしめられる。この時に図20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18)を飛び越えるので機関の運転領域が機関低負荷運転領域A1から機関中高負荷運転領域A2に変わる時に多量のスモークが発生することがない。機関中高負荷運転領域A2では従来から行われている通常燃焼が行われる。この機関中高負荷運転領域A2ではスロットル弁17は一部を除いて全開状態に保持され、EGR制御弁25の開度は要求負荷Lが高くなると次第に小さくされる。また、この機関中高負荷運転領域A2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、機関中高負荷運転領域A2では噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
【0098】
図21及び図22は図7のステップ102において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。図21及び図22に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ300において、機関運転状態が図6(B)の機関低負荷運転領域B1内にあるか否かが判定される。YESの時にはステップ201に進み、NOの時にはステップ301に進む。ステップ201では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図10(A)に示すマップからスロットル弁17の目標開度STが算出され、スロットル弁17の開度がこの目標開度STとされる。次いでステップ202では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図10(B)に示すマップからEGR制御弁25の目標開度SEが算出され、EGR制御弁25の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ203では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様にエアフローメータ44により検出された吸入空気量Gaが取込まれ、次いでステップ204では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図9(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ205では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に吸入空気量Gaと目標空燃比A/Fに基づいて空燃比を目標空燃比A/Fとするのに必要な燃料噴射量Qが算出される。次いでステップ206では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図11に示すマップから目標燃料噴射開始時期θSが算出される。
【0099】
ステップ301では、機関運転状態が図6(B)の機関高負荷運転領域B3内にあるか否かが判定される。YESの時にはステップ207に進み、NOの時にはステップ302に進む。ステップ207では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図12(A)に示されるマップから目標燃料噴射量Qが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Qとされる。次いでステップ208では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図12(B)に示されるマップから目標燃料噴射開始時期θSが算出され、燃料噴射開始時期がこの目標燃料噴射開始時期θSとされる。次いでステップ209では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図14(A)に示すマップからスロットル弁17の目標開度STが算出される。次いでステップ210では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図14(B)に示すマップからEGR制御弁25の目標開度SEが算出され、EGR制御弁25の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ211では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様にエアフローメータ44により検出された吸入空気量Gaが取込まれる。次いでステップ212では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に燃料噴射量Qと吸入空気量Gaから実際の空燃比(A/F)が算出される。
【0100】
次いでステップ213では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に図13(B)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ214では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様に実際の空燃比(A/F)が目標空燃比A/Fよりも大きいか否かが判別される。(A/F)>A/Fの時には第一の運転モードが選択された場合(図8)と同様にステップ215に進んでスロットル開度の補正値ΔSTが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ217へ進む。これに対して(A/F)≦A/Fの時には第一の運転モードが選択された場合(図8)と同様にステップ216に進んで補正値ΔSTが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ217に進む。ステップ217では第一の運転モードが選択された時(図8)と同様にスロットル弁17の目標開度STに補正値ΔSTを加算することにより最終的な目標開度STが算出され、スロットル弁17の開度がこの最終的な目標開度STとされる。即ち、実際の空燃比(A/F)が目標空燃比A/Fとなるようにスロットル弁17の開度が制御される。
【0101】
一方、ステップ301において機関運転状態が図6(B)の機関中負荷運転領域B2内にあると判定された時には、ステップ302において図23(A)に示されるマップから目標主燃料噴射量Q1が算出され、主燃料噴射量がこの目標主燃料噴射量Q1とされる。次いでステップ303では図23(B)に示されるマップから目標主燃料噴射開始時期θS1が算出され、主燃料噴射開始時期がこの目標主燃料噴射開始時期θS1とされる。本実施形態では、この目標主燃料噴射開始時期θS1は、図21のステップ208における目標燃料噴射開始時期θSよりも遅角されている。次いでステップ304では図24(A)に示されるマップから目標副燃料噴射量Q2が算出され、副燃料噴射量がこの目標副燃料噴射量Q2とされる。次いでステップ305では図24(B)に示されるマップから目標副燃料噴射開始時期θS2が算出され、副燃料噴射開始時期がこの目標副燃料噴射開始時期θS2とされる。本実施形態では、この目標副燃料噴射開始時期θS2は排気行程と吸気行程との間に設定されており、この副燃料噴射はいわゆるVIGOM噴射である。本実施形態の変形例では、このVIGOM噴射の代わりに副燃料噴射としていわゆるパイロット噴射を行うことも可能であり、その場合、目標副燃料噴射開始時期はステップ303において算出される目標主燃料噴射開始時期θS1の直前の圧縮行程末期に設定される。
【0102】
次いでステップ306では図25(B)に示すマップからスロットル弁17の目標開度STが算出される。次いでステップ307では図25(C)に示すマップからEGR制御弁25の目標開度SEが算出され、EGR制御弁25の開度がこの目標開度SEとされる。次いでステップ308ではエアフローメータ44により検出された吸入空気量Gaが取込まれる。次いでステップ309では燃料噴射量Q1と吸入空気量Gaから実際の空燃比(A/F)が算出される。次いでステップ310では図25(A)に示すマップから目標空燃比A/Fが算出される。次いでステップ311では実際の空燃比(A/F)が目標空燃比A/Fよりも大きいか否かが判別される。(A/F)>A/Fの時にはステップ312に進んでスロットル開度の補正値ΔSTが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ314へ進む。これに対して(A/F)≦A/Fの時にはステップ313に進んで補正値ΔSTが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ314に進む。ステップ314ではスロットル弁17の目標開度STに補正値ΔSTを加算することにより最終的な目標開度STが算出され、スロットル弁17の開度がこの最終的な目標開度STとされる。即ち、実際の空燃比(A/F)が目標空燃比A/Fとなるようにスロットル弁17の開度が制御される。
【0103】
第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時の目標空燃比A/Fは図25(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内に記憶されている。また、空燃比を図25(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なスロットル弁17の目標開度STが図25(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内に記憶されており、空燃比を図25(A)に示す目標空燃比A/Fとするのに必要なEGR制御弁25の目標開度SEが図25(C)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。また、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には主燃料噴射量Q1は要求負荷L及び機関回転数Nに基づいて算出される。この主燃料噴射量Q1は図23(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内に記憶されている。同様に、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には主燃料噴射開始時期θS1は要求負荷L及び機関回転数Nに基づいて算出される。この主燃料噴射開始時期θS1は図23(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。更に、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には副燃料噴射量Q2は要求負荷L及び機関回転数Nに基づいて算出される。この副燃料噴射量Q2は図24(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内に記憶されている。同様に、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には副燃料噴射開始時期θS2は要求負荷L及び機関回転数Nに基づいて算出される。この副燃料噴射開始時期θS2は図24(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。
【0104】
図26は第二の運転モード時にパティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温するのを抑制する制御方法を示したフローチャートである。このルーチンは図7のステップ100においてYESと判定され、パティキュレートフィルタ22aが再生されている時に割り込みルーチンとして実行される。図26に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ400において、パティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうか否かが判定される。本実施形態では、図7のステップ100においてYESと判定され、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えが行われた時点からの経過時間が所定の閾値を超えた時に、パティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうになったと判定される。他の実施形態では、その代わりに、出ガス温度センサ39bにより検出されたパティキュレートフィルタ22aからの出ガス温度が所定の閾値を超えた時に、パティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうになったと判定することも可能である。ステップ400においてYESと判定された時にはステップ401に進み、NOと判定された時にはこのルーチンを終了する。
【0105】
ステップ401では、機関運転状態が図6(B)の機関低負荷運転領域B1内にあるか否かが判定される。YESの時、つまり、第二の運転モードが選択されている機関低負荷運転時であって低温燃焼が実行されている時にはステップ402に進み、NOの時にはステップ405に進む。ステップ402では、図21のステップ204において図9(B)のマップに基づいて算出された目標空燃比A/Fがリーン化せしめられる。その結果、機関排気通路内で後燃えしていた燃料が燃焼室5内において燃焼されるようになり、排気ガス温度の過剰昇温が抑制される。ステップ403では、機関運転状態が図6(B)の機関高負荷運転領域B3内にあるか否かが判定される。YESの時、つまり、第二の運転モードが選択されている機関高負荷運転時であって通常燃焼が実行されている時にはステップ404に進み、NOの時、つまり、第二の運転モードが選択されている機関中負荷運転時であって副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている時にはステップ405に進む。ステップ404では、図21のステップ208において図12(B)のマップに基づいて算出された目標燃料噴射開始時期θSが進角せしめられる。その結果、機関排気通路内で後燃えしていた燃料が燃焼室5内において燃焼されるようになり、排気ガス温度の過剰昇温が抑制される。一方、ステップ405では図22のステップ303において図23(B)のマップに基づいて算出された目標主燃料噴射開始時期θS1が進角せしめられると共に、副燃料噴射が中止される。その結果、機関排気通路内で後燃えしていた燃料が燃焼室5内において燃焼されるようになり、排気ガス温度の過剰昇温が抑制される。
【0106】
好適には、ステップ402における目標空燃比A/Fのリーン化が徐々に行われ、ステップ404における目標燃料噴射開始時期θSの進角が徐々に行われ、ステップ405における目標主燃料噴射開始時期θS1の進角が徐々に行われる。また、他の実施形態では、ステップ402、ステップ404及びステップ405を実行する代わりに、ステップ400においてパティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうであると判定された時に、第一の運転モード時に実行される燃焼を割り込み実行することも可能である。好適には、この割り込み実行の頻度が徐々に増加される。
【0107】
図27及び図28は時間とパティキュレートフィルタ22aの温度との関係を示した図である。詳細には、図27(A)は図26に示すパティキュレートフィルタの過剰昇温抑制制御ルーチンが設けられていない場合を示している。図27(A)に示す場合には、時間t1に図7のステップ100においてYESと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えし、パティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガスの温度である入りガス温度及びパティキュレートフィルタ22aから流出する排気ガスの温度である出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ22aの温度が再生温度領域(T1〜T2)内に入る。ところが、図26に示すパティキュレートフィルタの過剰昇温抑制制御ルーチンが設けられていないと出ガス温度が上昇し続けてしまい、パティキュレートフィルタ22aの温度が焼損温度領域(T3以上)内に入ってしまう。
【0108】
図27(B)、図28(A)及び図28(B)は図26に示すパティキュレートフィルタの過剰昇温抑制制御ルーチンが設けられている場合を示している。図27(A)に示す場合には、時間t1に図7のステップ100においてYESと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えして入りガス温度及び出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ22aの温度が再生温度領域(T1〜T2)内に入る。その後、図26のステップ400においてパティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうであると判定されることなく、時間t2に図7のステップ100においてパティキュレートフィルタ22aを再生させるタイミングでなくなった、つまり、パティキュレートフィルタ22aの再生が終了したと判定され、再びステップ101において第一の運転モードの下での燃焼が行われる。
【0109】
図28(A)に示す場合には、時間t1に図7のステップ100においてYESと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えして入りガス温度及び出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ22aの温度が再生温度領域(T1〜T2)内に入る。その後、時間t3に図26のステップ400においてパティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうになったと判定され、図26のステップ402、ステップ404又はステップ405が実行されてパティキュレートフィルタ22aの昇温が抑制される。次いで時間t4に図26のステップ400においてNOと判定されて時間t1〜時間t3の間と同様に第二の運転モードの下での燃焼が実行される。次いで時間t5に図26のステップ400においてパティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうになったと判定され、図26のステップ402、ステップ404又はステップ405が実行されてパティキュレートフィルタ22aの昇温が抑制される。次いで時間t6に図26のステップ400においてNOと判定されて時間t1〜時間t3の間と同様に第二の運転モードの下での燃焼が実行される。次いで時間t7に図7のステップ100においてパティキュレートフィルタ22aを再生させるタイミングでなくなった、つまり、パティキュレートフィルタ22aの再生が終了したと判定され、再びステップ101において第一の運転モードの下での燃焼が行われる。
【0110】
図28(B)に示す場合には、時間t1に図7のステップ100においてYESと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えして入りガス温度及び出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ22aの温度が再生温度領域(T1〜T2)内に入る。その後、時間t8に図26のステップ400においてパティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温しそうになったと判定され、第一の運転モードの下での燃焼が割り込み実行される。次いで時間t9に図26のステップ400においてNOと判定されて時間t1〜時間t8の間と同様に第二の運転モードの下での燃焼が実行される。次いで時間t10に図7のステップ100においてパティキュレートフィルタ22aを再生させるタイミングでなくなった、つまり、パティキュレートフィルタ22aの再生が終了したと判定され、再びステップ101において第一の運転モードの下での燃焼が行われる。
【0111】
本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aに担持されている酸素吸蔵・活性酸素放出剤61により、周囲に過剰酸素が存在する時に酸素が取り込まれて保持され、周囲の酸素濃度が低下した時にその保持された酸素が活性酸素の形で放出される。そのため、従来の場合のように微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した後にその微粒子が輝炎を発して除去されるのと異なり、微粒子がパティキュレートフィルタ22a上に積層状に堆積する前に、酸素吸蔵・活性酸素放出剤61が放出する活性酸素により、輝炎を発することなくその微粒子を酸化除去することができる。更に本実施形態によれば、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード(図6(A))とパティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))とが必要に応じて切り換えられる。そのため、内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制することができる。詳細には、図7のステップ100において、原則的に内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード(図6(A))が選択され、パティキュレートフィルタ22aを再生することが必要になった時にパティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))が選択される。そのため、パティキュレートフィルタ22aに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【0112】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))が選択されている時であって機関中負荷運転時(図6(B)のB2)に図22のステップ304において副燃料噴射が実行されると共にステップ303において主燃料噴射時期が遅角される。そのため、低温燃焼を実行可能な機関低負荷運転時(B1)でなく、かつ、高温排気ガスを排出可能な機関高負荷運転時(B3)でない機関中負荷運転時(B2)であってもパティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガス温度を高くすることができ、それゆえ、パティキュレートフィルタ22aを再生することができる。
【0113】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))が選択されて低温燃焼が実行されている時(図6(B)のB1)であっても、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうな時には図26のステップ402において空燃比がリーン化される。そのため、パティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))が選択されて図22のステップ304において副燃料噴射が実行されると共にステップ303において主燃料噴射時期が遅角されている時(図6(B)のB2)であっても、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうな時には図26のステップ405において主燃料噴射時期が進角されると共に副燃料噴射が中止される。そのため、パティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))が選択されて通常燃焼が実行されている時(図6(B)のB3)であっても、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうな時には図26のステップ404において燃料噴射時期が進角される。そのため、パティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。つまり、パティキュレートフィルタ22aを再生している時にパティキュレートフィルタ22aの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタ22aが溶損してしまうのを回避することができる。
【0114】
更に上述した他の実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))が選択されている時であっても、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうな時には、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード(図6(A))が選択されている時に実行される燃焼であって、詳細にはパティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガス温度が比較的低くなる燃焼が割り込み実行される。そのため、パティキュレートフィルタ22aを再生している時にパティキュレートフィルタ22aの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタ22aが溶損してしまうのを回避することができる。
【0115】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうか否かが、図26のステップ400において第一の運転モード(図6(A))から第二の運転モード(図6(B))への切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタ22aの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的容易に判定することができる。
【0116】
更に上述した他の実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうか否かが出ガス温度センサ39bにより検出された排気ガス温度に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタ22aの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的正確に判定することができる。
【0117】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する吸蔵還元型NO触媒22bが配置される。そのため、排気ガスがその触媒22bを通過する際に酸化せしめられ、その酸化熱によりパティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガスの温度を上昇させることができ、パティキュレートフィルタ22aの温度を比較的高い温度に維持することができる。また、微粒子のバインダとして作用するSOFがその触媒22bにより酸化せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタ22aにおいて微粒子が堆積しづらくなるようにすることができる。
【0118】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ22aに微粒子が所定量堆積したと推定された時に図7のステップ100においてYESと判定され、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード(図6(A))からパティキュレートフィルタ22aを再生することを優先させた第二の運転モード(図6(B))への切り換えが行われる。そのため、ステップ102を実行し続けることによりパティキュレートフィルタ22aに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【0119】
また本実施形態によれば、機関低負荷運転時に低温燃焼が実行されるため、機関低負荷運転時に通常燃焼が実行される場合に比べてパティキュレートフィルタ22a内に流入する排気ガス温度を高くすることができる。それゆえ、低温燃焼が実行されない場合に比べ、パティキュレートフィルタ22aを再生することができる機関運転領域を拡大することができる。また本実施形態によれば、比較的容量の大きい酸化機能を有する触媒22bがパティキュレートフィルタ22aの排気ガス流れ上流側に配置されるため、パティキュレートフィルタ22aに平準化された高温排気ガスを供給することができ、それゆえ、パティキュレートフィルタ22aが局部的に過剰に昇温してしまうのを抑制することができる。
【0120】
また本実施形態によれば、第一の運転モード(図6(A))が選択される時間の長さ及び第二の運転モード(図6(B))が選択される時間の長さを適宜設定することにより、第一の運転モード(図6(A))選択時に煤が過剰に堆積するのに伴って第二の運転モード(図6(B))選択時にパティキュレートフィルタ22aの温度が過剰に昇温してしまうのを抑制することができ、更に第一の運転モード(図6(A))が選択される時間が長すぎるのに伴ってパティキュレートフィルタ22aの温度が低下し過ぎてしまうのを抑制すると共に、第二の運転モード(図6(B))が選択される時間が長すぎるのに伴ってパティキュレートフィルタ22aの温度が上昇し過ぎてしまうのを抑制することができる。
【0121】
また本実施形態によれば、第一の運転モード(図6(A))が選択されている時であっても機関低負荷運転時に低温燃焼が実行されるため、パティキュレートフィルタ22aの温度が低下するのを抑制することができる。そのため、第一の運転モード(図6(A))が選択され低温燃焼が実行されていた後に第二の運転モード(図6(B))に切り換えられた場合に、第二の運転モード(図6(B))が選択されている時間を短くすることができる。
【0122】
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5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、NO吸蔵還元触媒装置の近傍雰囲気を定期的又は不定期にリッチ空燃比にする必要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良い。
【0123】
本実施例において、パティキュレートフィルタ自身が酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持して、この酸素吸蔵・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。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。
【0124】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制することができる。詳細には、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。また、低温燃焼を実行可能な機関低負荷運転時でなく、かつ、高温排気ガスを排出可能な機関高負荷運転時でない機関中負荷運転時であってもパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度を高くすることができ、それゆえ、パティキュレートフィルタを再生することができる。
【0125】
請求項2に記載の発明によれば、従来の場合のように微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した後にその微粒子が輝炎を発して除去されるのと異なり、微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する前に、酸素吸蔵・活性酸素放出剤が放出する活性酸素により、輝炎を発することなくその微粒子を酸化除去することができる。
【0126】
請求項3に記載の発明によれば、パティキュレートの付着等によって周囲の酸素濃度が低下すれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は自然に活性酸素を放出して捕集微粒子を酸化除去することができる。
【0127】
請求項4に記載の発明によれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は排気ガス中のNOも吸蔵するために、NOの大気放出量を低減することができる。
【0129】
請求項5及び6に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。つまり、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【0130】
請求項に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【0131】
請求項に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的容易に判定することができる。
【0132】
請求項に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的正確に判定することができる。
【0133】
請求項10に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【0134】
請求項11に記載の発明によれば、排気ガスがその触媒を通過する際に酸化せしめられ、その酸化熱によりパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの温度を上昇させることができ、パティキュレートフィルタの温度を比較的高い温度に維持することができる。また、微粒子のバインダとして作用するSOFがその触媒により酸化せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタにおいて微粒子が堆積しづらくなるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関に適用した第一の実施形態を示した図である。
【図2】パティキュレートフィルタ22aの構造を示した図である。
【図3】排気ガス流入通路50の内周面上に形成された担体層の表面の拡大図である。
【図4】微粒子の酸化の様子を示した図である。
【図5】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を示した図である。
【図6】内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードとパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを示した図である。
【図7】第一の実施形態の運転制御方法を示したフローチャートである。
【図8】図7のステップ101において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。
【図9】機関低負荷運転領域A1における空燃比等を示す図である。
【図10】機関低負荷運転領域A1におけるスロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図11】機関低負荷運転領域A1における燃焼噴射開始時期を示す図である。
【図12】機関中高負荷運転領域A2における目標燃料噴射量等のマップを示す図である。
【図13】機関中高負荷運転領域A2における空燃比等を示す図である。
【図14】機関中高負荷運転領域A2におけるスロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図15】スモーク及びNOの発生量等を示す図である。
【図16】燃焼圧を示す図である。
【図17】燃料分子を示す図である。
【図18】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図19】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図20】要求負荷Lに対するスロットル弁17の開度、EGR制御弁25の開度、EGR率、空燃比、噴射時期及び噴射量を示した図である。
【図21】図7のステップ102において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。
【図22】図7のステップ102において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。
【図23】機関中負荷運転領域B2における目標主燃料噴射量等のマップを示す図である。
【図24】機関中負荷運転領域B2における目標副燃料噴射量等のマップを示す図である。
【図25】機関中負荷運転領域B2における目標空燃比等のマップを示す図である。
【図26】第二の運転モード時にパティキュレートフィルタ22aが過剰に昇温するのを抑制する制御方法を示したフローチャートである。
【図27】時間とパティキュレートフィルタ22aの温度との関係を示した図である。
【図28】時間とパティキュレートフィルタ22aの温度との関係を示した図である。
【符号の説明】
5…燃焼室
6…燃料噴射弁
20…排気管
22a…パティキュレートフィルタ
25…EGR制御弁
61…酸素吸蔵・活性酸素放出剤
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine in which a particulate filter for removing particulates in exhaust gas discharged from a combustion chamber is disposed in an engine exhaust passage. An example of this type of exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine is disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-106290.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, Japanese Patent Publication No. 7-106290 does not disclose that a catalyst supported on a particulate filter takes in oxygen and retains oxygen when there is excess oxygen around the catalyst. Further, Japanese Patent Publication No. 7-106290 does not disclose that the catalyst carried on the particulate filter releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. Therefore, in the catalyst of the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in Japanese Patent Publication No. 7-106290, oxygen is taken in when excess oxygen is present in the surroundings, and is retained when the oxygen concentration in the surroundings is reduced. Oxygen cannot be released in the form of active oxygen. Therefore, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in Japanese Patent Publication No. 7-106290, the catalyst that releases active oxygen cannot be regenerated as needed.
[0004]
Conventionally, in a diesel engine, a particulate filter is disposed in an engine exhaust passage in order to remove fine particles contained in exhaust gas, and the fine particles in the exhaust gas are once collected by the particulate filter, and the particulate filter is collected. The particulate filter is regenerated by igniting and burning the fine particles collected on the filter. However, the particulate matter collected on the particulate filter does not ignite and burn unless the temperature becomes higher than about 600 ° C., whereas the exhaust gas temperature of a diesel engine is usually much lower than 600 ° C. Therefore, it is difficult to ignite and burn the fine particles collected on the particulate filter with the exhaust gas heat.
[0005]
On the other hand, NO trapped on the particulates collected on the particulate filter2Can be ignited and burned even at a relatively low temperature (NO2+ C → NO + CO, NO2+ CO → NO + CO2, 2NO2+ C → 2NO + CO2). However, most of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas are NO, and therefore NO2NO in order to ignite and burn the fine particles by the reaction with NO2Must be converted to In this case, if an oxidation catalyst is arranged in the engine exhaust passage upstream of the particulate filter and NO is oxidized by this oxidation catalyst, NO can be reduced to NO.2Thus, even if the temperature is relatively low, the fine particles trapped on the particulate filter can be ignited and burned.
[0006]
On the other hand, when the exhaust gas temperature is lower than a certain temperature, for example, 350 ° C., NO in the exhaust gas is absorbed, and when the exhaust gas temperature exceeds 350 ° C., the absorbed NO is converted into NO.2NO released in the form ofXAbsorbents are known. This NOXThe absorbent is at least one selected from the group consisting of alkali metals such as potassium K, sodium Na and cesium Cs, alkaline earths such as barium Ba and calcium Ca, lanthanum La and rare earths such as yttrium Y, and platinum Pt. And noble metals. This NOXWhen an absorbent is used, NO is generated when the exhaust gas temperature becomes higher than 350 ° C.XNO is released from the absorbent, and NO is oxidized by platinum Pt to form NO.2Thus, the fine particles collected on the particulate filter are more easily ignited and burned.
[0007]
However, from NO by the oxidation catalyst to NO2The effect of the conversion to is dependent on the exhaust gas temperature, and this conversion only takes place within a certain exhaust gas temperature range. Therefore, when the exhaust gas goes out of this exhaust gas temperature range, it is no longer changed from NO to NO.2No conversion operation is performed, so that the particulate matter collected on the particulate filter cannot be ignited and burned. NOXNO when using absorbentXNO is released from the absorbent within a limited exhaust gas temperature range of 350 ° C. or more, and NOXThere is a limit to the amount of NO released from the absorbent.
[0008]
Therefore, an oxidation catalyst is disposed in the exhaust passage upstream of the particulate filter, and NOXAn absorbent is supported, and NO is converted from NO by the oxidation catalyst to NO.2Load operating condition and NOXNO is released from the absorbent and NO2When the medium load operation state is reached, these NO2Igniting and burning the fine particles trapped on the particulate filter by2During a high load operation in which generation of dust is not expected, the particulate matter collected on the particulate filter is ignited and burned by raising the temperature of the exhaust gas to 600 ° C. or more.2During low-load operation where it is not expected to generate CO2, the exhaust gas temperature is raised by an electric heater and NO2When the exhaust gas temperature is further reduced and the load is extremely low, light oil and secondary air are supplied into the exhaust passage to ignite and burn the fine particles trapped on the particulate filter by the combustion heat of the light oil. A known diesel engine is known (see JP-A-8-338229).
[0009]
As described above, the particulate filter has conventionally been considered to trap fine particles in the exhaust gas. Therefore, conventionally, the particulate filter collected on the particulate filter, that is, the particulate filter laminated on the particulate filter is conventionally used. Every effort has been made to ignite and burn the particulates deposited in the shape. That is, once the particulates are deposited on the particulate filter in a stacked state, it becomes difficult to ignite and burn, and in this case, a high temperature of 600 ° C. or more is required to cause the deposited particulates to ignite and burn. Therefore, conventionally, one method has been to focus on how to produce a high temperature of 600 ° C. or higher.
[0010]
On the other hand, as described above, the fine particles deposited on the particulate filter2Is reacted at a relatively low temperature, the fine particles are ignited and burned. Therefore, in this case, the fine particles deposited on the particulate filter can be ignited and burned without a high temperature of 600 ° or more. However, NO2Since the operating region in which the gas can be generated is limited, it is not possible to ignite and burn the fine particles at a relatively low temperature in any operating region. In any case, conventionally, it is assumed that the particulate filter is for collecting fine particles, and the focus is on how to ignite and burn the fine particles deposited in a layer on the particulate filter. I was
[0011]
However, as a result of a detailed study of the behavior of the fine particles, the fine particles are not collected on the particulate filter when a certain condition is satisfied, and as soon as the fine particles adhere to the particulate filter, a certain condition is satisfied. It turned out to be oxidized in time. In other words, if the fine particles can be oxidized before they are deposited on the particulate filter in a layered manner, almost 100% of the fine particles in the exhaust gas are removed without the fine particles being trapped on the particulate filter. It turned out that we could do that.
[0012]
In addition, as a result of studying the behavior of fine particles in detail, an oxygen storage device that retains oxygen in the particulate filter when excess oxygen is present in the surroundings, and releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding excess oxygen decreases. It has been found that when an active oxygen releasing agent is loaded, the ability to oxidize and remove particulates by the released active oxygen is significantly improved. According to further research, when this oxygen storage / active oxygen releasing agent is poisoned by specific components contained in exhaust gas, even if the surrounding excess oxygen decreases, active oxygen is hardly released. It turned out that the oxidizing ability of the particulates could not be improved so much.
[0013]
In view of the above problems, the present invention suppresses the accumulation of the particulates on the particulate filters while improving the fuel efficiency of the internal combustion engine by oxidizing the particulates with active oxygen and regenerating the particulate filters as necessary. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can perform the above.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, a particulate filter for removing particulates in exhaust gas discharged from a combustion chamber is arranged in an engine exhaust passage. Above, the trapped particulates are oxidized, comprising a first operation mode in which priority is given to improving fuel efficiency of the internal combustion engine, and a second operation mode in which priority is given to regeneration of the particulate filter. , Switching between the first operation mode and the second operation mode as necessaryIn the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, when the amount of the inert gas supplied into the combustion chamber is increased, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and the amount of the inert gas supplied into the combustion chamber increases. When the amount is further increased, the first operating mode is selected by using an internal combustion engine in which the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the gas around it become lower than the temperature at which soot is generated and soot is hardly generated. The low-temperature combustion in which the amount of the inert gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of the inert gas at which the generation amount of soot becomes a peak during the low load operation of the engine and little soot is generated is executed. When the first operation mode is selected, the amount of the inert gas supplied into the combustion chamber is smaller than the amount of the inert gas at which the amount of generated soot at the time of high load operation in the engine is peaked. Normal combustion is performed When the second operation mode is selected and low engine load operation is performed, low-temperature combustion is performed, and when the second operation mode is selected and engine medium load operation is performed, auxiliary fuel injection is executed. At the same time, the main fuel injection timing is retarded, and the normal combustion is performed when the second operation mode is selected and the engine is under high load operation.An exhaust emission control device for an internal combustion engine is provided.
[0015]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, a first operation mode in which priority is given to improving fuel efficiency of the internal combustion engine and a second operation mode in which priority is given to regeneration of the particulate filter. It can be switched as needed. Therefore, it is possible to suppress the accumulation of fine particles on the particulate filter while improving the fuel efficiency of the internal combustion engine. In detail, the first operation mode in which priority is given to improving the fuel efficiency of the internal combustion engine in principle is selected, and when it becomes necessary to regenerate the particulate filter, priority is given to regenerating the particulate filter. The operated second operation mode is selected. Therefore, the accumulation of fine particles on the particulate filter can be suppressed more than necessary, and the fuel consumption of the internal combustion engine can be prevented from deteriorating accordingly.Further, when the second operation mode in which the regeneration of the particulate filter is prioritized is selected and the engine is under the medium load operation, the auxiliary fuel injection is executed and the main fuel injection timing is retarded. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter is not even during the low load operation of the engine capable of performing low-temperature combustion, and also during the middle load operation of the engine that is not the high load operation of the engine capable of discharging high-temperature exhaust gas. Can be increased, and therefore the particulate filter can be regenerated.
[0016]
According to the second aspect of the present invention, the particulate filter carries an oxygen storage / active oxygen release agent, and active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen release agent is collected on the particulate filter. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the fine particles are oxidized.
[0017]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, since the active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent oxidizes the trapped fine particles, the fine particles are deposited on the particulate filter as in the conventional case. Unlike the case where the fine particles emit a bright flame after being deposited in a layered form and are removed, the fine particles can be oxidized and removed without emitting a bright flame before being deposited in a layered manner on the particulate filter. it can.
[0018]
According to the third aspect of the present invention, the oxygen storage / active oxygen releasing agent takes in oxygen when there is excess oxygen in the surroundings and retains the oxygen. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the exhaust gas is discharged in the form of:
[0019]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the third aspect, if the surrounding oxygen concentration decreases due to the attachment of particulates or the like, the oxygen storage / active oxygen releasing agent naturally releases active oxygen to oxidize the trapped fine particles. Can be removed.
[0020]
According to the fourth aspect of the present invention, the oxygen storage / active oxygen release agent is capable of NOXIs bound to oxygen and bound when the ambient oxygen concentration decreases.XAnd oxygenX3. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the exhaust gas is decomposed into active oxygen and released.
[0021]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the fourth aspect, the oxygen storage / active oxygen releasing agent contains NO in the exhaust gas.XIf the surrounding oxygen concentration decreases due to the attachment of particulates or the like, the oxygen storage / active oxygen releasing agent can naturally release active oxygen and oxidize and remove the trapped fine particles.
[0024]
Claim5According to the invention described in the above, when the second operation mode is selected and the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively, and when low-temperature combustion is being performed, the air-fuel ratio is reduced. The main fuel injection timing is advanced when the sub fuel injection is performed and the main fuel injection timing is retarded, and the fuel injection timing is advanced when the normal combustion is performed. Claims madeAny of 1 to 4An exhaust purification device for an internal combustion engine as described above is provided.
[0025]
Claim5In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above, even when the second operation mode in which the regeneration of the particulate filter is prioritized is selected and the low-temperature combustion is performed, the temperature of the particulate filter is reduced. When it is likely to rise excessively, the air-fuel ratio is made lean. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter is reduced, and the temperature of the particulate filter can be prevented from excessively increasing. Further, even when the second operation mode in which the priority is given to the regeneration of the particulate filter is selected and the sub fuel injection is executed and the main fuel injection timing is retarded, the temperature of the particulate filter is reduced. Is likely to rise excessively, the main fuel injection timing is advanced. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter is reduced, and the temperature of the particulate filter can be prevented from excessively increasing. Further, even when the second operation mode in which the regeneration of the particulate filter is prioritized is selected and normal combustion is performed, when the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively, the fuel injection timing is increased. It is advanced. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter is reduced, and the temperature of the particulate filter can be prevented from excessively increasing. That is, it is possible to prevent the temperature of the particulate filter from being excessively increased while the particulate filter is being regenerated, thereby preventing the particulate filter from being melted.
[0026]
Claim6According to the invention described in (1), when the main fuel injection timing is advanced when the main fuel injection timing is delayed while the sub fuel injection is executed, the sub fuel injection is stopped.5The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to (1) is provided.
[0027]
Claim6In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above, when the second operation mode is selected and the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively, the sub fuel injection is executed and the main fuel injection timing is executed. When the main fuel injection timing is advanced in the case where is retarded, the auxiliary fuel injection is stopped. For this reason, it is possible to avoid that the HC increases with the execution of the auxiliary fuel injection at such a time, and the degree of decrease in the rise of the bed temperature of the particulate filter decreases.
[0028]
Claim7According to the invention described in the above, when the second operation mode is selected and the temperature of the particulate filter is likely to excessively increase, the operation is performed when the first operation mode is selected. From claim 1, wherein the combustion is interrupted and executed.4An exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of the above.
[0029]
Claim7In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above, even when the second operation mode that prioritizes the regeneration of the particulate filter is selected, when the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively The combustion that is performed when the first operation mode in which the priority is placed on improving the fuel efficiency of the internal combustion engine is selected. Specifically, the temperature of exhaust gas flowing into the particulate filter becomes relatively low. The combustion is interrupted. For this reason, it is possible to prevent the temperature of the particulate filter from being excessively increased when the particulate filter is being regenerated, and to prevent the particulate filter from being melted.
[0030]
Claim8According to the invention described in the above, it is determined whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively, based on an elapsed time from when the switching from the first operation mode to the second operation mode is performed. Claims to be made5 to 7An exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of the above.
[0031]
Claim8In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above, it is determined whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively based on an elapsed time from when the first operation mode is switched to the second operation mode. Is determined. Therefore, it is possible to relatively easily determine whether the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively without actually detecting the temperature of the particulate filter.
[0032]
Claim9According to the invention described in (1), it is determined whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively based on the exhaust gas temperature.5 to 7An exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of the above.
[0033]
Claim9In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described above, it is determined whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively, based on the exhaust gas temperature. Therefore, it is possible to relatively accurately determine whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively without actually detecting the temperature of the particulate filter.
[0034]
Claim10According to the invention described in (1), when it is estimated that a predetermined amount of fine particles has been deposited on the particulate filter, switching from the first operation mode to the second operation mode is performed.9An exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of the above.
[0035]
Claim10In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in above, the particulate filter is regenerated from the first operation mode in which priority is given to improving the fuel efficiency of the internal combustion engine when it is estimated that a predetermined amount of fine particles has accumulated on the particulate filter. Switching to the second operation mode in which priority is given to this is performed. Therefore, the accumulation of fine particles on the particulate filter can be suppressed more than necessary, and the fuel consumption of the internal combustion engine can be prevented from deteriorating accordingly.
[0036]
Claim11According to the invention described in (1), a catalyst having an oxidizing function is disposed upstream of the exhaust gas flow of the particulate filter.10An exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of the above.
[0037]
Claim11In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in (1), a catalyst having an oxidizing function is arranged on the exhaust gas flow upstream side of the particulate filter. Therefore, the exhaust gas is oxidized when passing through the catalyst, and the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter can be increased by the heat of oxidation, thereby maintaining the temperature of the particulate filter at a relatively high temperature. can do. Also, the SOF acting as a binder for the fine particles is oxidized by the catalyst, and as a result, the fine particles can be hardly deposited on the particulate filter.
[0038]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0039]
FIG. 1 shows a first embodiment in which the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine of the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine. The present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine. Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake manifold 11, and the surge tank 12 is connected to a compressor 15 of an exhaust turbocharger 14 via an intake duct 13. A throttle valve 17 driven by a step motor 16 is arranged in the intake duct 13, and a cooling device 18 for cooling intake air flowing through the intake duct 13 is arranged around the intake duct 13. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 18, and the engine cooling water cools the intake air. In the intake duct 13, an air flow meter 44 for detecting an intake air amount, a negative pressure sensor 45 for detecting an intake pipe negative pressure, and an intake temperature sensor 46 for detecting an intake air temperature are arranged. .
[0040]
On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an exhaust turbine 21 of an exhaust turbocharger 14 via an exhaust manifold 19 and an exhaust pipe 20, and an outlet of the exhaust turbine 21 has a particulate filter 22a and a storage-reduction NO having an oxidation function.XIt is connected to a casing 23 containing a catalyst 22b. Storage reduction type NOXThe catalyst 22b is disposed upstream of the particulate filter 22a in the exhaust gas flow. In the modification of the present embodiment, the storage reduction type NOXInstead of the catalyst 22b, any oxidation catalyst having an oxidation function can be provided. In the modification of the present embodiment, the particulate filter 22a and the storage reduction type NOXInstead of arranging the catalyst 22b adjacent, for example, the storage reduction type NOXIt is also possible to arrange the catalyst 22b apart from the particulate filter 22a. An air-fuel ratio sensor 47 is arranged in the exhaust manifold 19, and an incoming gas for detecting an incoming gas temperature which is the temperature of the exhaust gas flowing into the casing 23 is provided in the exhaust pipe 20 on the upstream side of the casing 23. A temperature sensor 39a is arranged, and an exhaust gas temperature sensor 39b for detecting an exhaust gas temperature which is the temperature of the exhaust gas flowing out of the casing 23 is arranged in the exhaust pipe 20 on the downstream side of the casing 23.
[0041]
The exhaust manifold 19 and the surge tank 12 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter, referred to as EGR) passage 24, and an electrically controlled EGR control valve 25 is disposed in the EGR passage 24. Further, a cooling device 26 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 24 is disposed around the EGR passage 24. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 26, and the engine cooling water cools the EGR gas. Further, a pipe catalyst 22c for purifying the EGR gas flowing into the cooling device 26 is disposed upstream of the EGR gas flow with respect to the cooling device 26. On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected to a fuel reservoir, a so-called common rail 27, via a fuel supply pipe 6a. Fuel is supplied into the common rail 27 from a fuel pump 28 of an electrically controlled variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 27 is supplied to the fuel injection valve 6 through each fuel supply pipe 6a. A fuel pressure sensor 29 for detecting the fuel pressure in the common rail 27 is attached to the common rail 27, and the fuel pump 28 is controlled so that the fuel pressure in the common rail 27 becomes the target fuel pressure based on the output signal of the fuel pressure sensor 29. Is controlled.
[0042]
The electronic control unit 30 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31 such as a ROM (Read Only Memory) 32, a RAM (Random Access Memory) 33, a CPU (Microprocessor) 34, an input port 35 and an output port 36. Is provided. The output signal of the fuel pressure sensor 29 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. The output signals of the incoming gas temperature sensor 39a and the outgoing gas temperature sensor 39b are input to the input port 35 via the corresponding AD converters 37, respectively. The output signal of the air flow meter 44 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37, and the output signal of the negative pressure sensor 45 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37, and the intake air temperature sensor The output signal of 46 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. 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 the output voltage of the load sensor 41 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. . The output signal of the combustion pressure sensor 43 for detecting the combustion pressure in the cylinder is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Further, the input port 35 is connected to a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 30 °. On the other hand, the output port 36 is connected to the fuel injection valve 6, the throttle valve driving step motor 16, the EGR control valve 25, and the fuel pump 28 via the corresponding drive circuit 38.
[0043]
FIG. 2 shows the structure of the particulate filter 22a. 2A shows a front view of the particulate filter 22a, and FIG. 2B shows a side cross-sectional view of the particulate filter 22a. As shown in FIGS. 2A and 2B, the particulate filter 22a has a honeycomb structure and includes a plurality of exhaust passages 50 and 51 extending in parallel with each other. These exhaust passages are constituted by an exhaust gas inflow passage 50 whose downstream end is closed by a plug 52 and an exhaust gas outflow passage 51 whose upstream end is closed by a plug 53. In FIG. 2A, hatched portions indicate plugs 53. Therefore, the exhaust gas inflow passages 50 and the exhaust gas outflow passages 51 are alternately arranged with the thin partition walls 54 interposed therebetween. In other words, the exhaust gas inflow passage 50 and the exhaust gas outflow passage 51 are each surrounded by the four exhaust gas outflow passages 51, and each exhaust gas outflow passage 51 is surrounded by the four exhaust gas inflow passages 50. It is arranged so that. The particulate filter 22a is made of, for example, a porous material such as cordierite. Therefore, the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 50 is formed in the surrounding partition wall 54 as shown by an arrow in FIG. And flows out into the adjacent exhaust gas outflow passage 51.
[0044]
In the embodiment according to the present invention, the entire peripheral wall surface of each exhaust gas inflow passage 50 and each exhaust gas outflow passage 51, that is, on both side surfaces of each partition wall 54, the outer end surface of the plug 53 and the inner end surfaces of the plugs 52, 53 A layer of a support made of, for example, alumina is formed over the support, and on the support, a noble metal catalyst and, when excess oxygen is present in the surroundings, oxygen is taken in to retain oxygen, and when the oxygen concentration in the surroundings decreases, the retained oxygen is retained. An oxygen storage / active oxygen releasing agent for releasing oxygen in the form of active oxygen is supported. In this case, in the embodiment according to the present invention, platinum Pt is used as a noble metal catalyst, and an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, or barium Ba is used as an oxygen storage / active oxygen release agent. , Calcium Ca, alkaline earth metals such as strontium Sr, lanthanum La, rare earths such as yttrium Y, and transition metals are used. In this case, as the oxygen storage / active oxygen release 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 is used. Is preferred.
[0045]
Next, the action of removing particulates in the exhaust gas by the particulate filter 22a will be described by taking as an example a case where platinum Pt and potassium K are carried on a carrier, but other noble metals, alkali metals, alkaline earth metals, rare earths, transition metals The same effect of removing fine particles can be obtained by using. In a compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1, combustion takes place under excess air, and thus the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, when the ratio of air and fuel supplied into the intake passage and the combustion chamber 5 is referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas, the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean in a compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. ing. Further, since NO is generated in the combustion chamber 5, the exhaust gas contains NO. Further, the fuel contains sulfur S, which reacts with oxygen in the combustion chamber 5 to produce SO.2It becomes. Therefore, SO in the exhaust gas2It is included. Thus, excess oxygen, NO and SO2Will flow into the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22a.
[0046]
FIGS. 3A and 3B schematically show enlarged views of the surface of the carrier layer formed on the inner peripheral surface of the exhaust gas inflow passage 50. 3A and 3B, reference numeral 60 denotes platinum Pt particles, and reference numeral 61 denotes an oxygen storage / active oxygen release agent containing potassium K. As described above, since a large amount of excess oxygen is contained in the exhaust gas, when the exhaust gas flows into the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22a, 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 oxygen storage / 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 oxygen storage / active oxygen release agent 61 in the form of potassium nitrate KNO3Generate
[0047]
On the other hand, as described above, SO2 is contained in the exhaust gas.2Is also included in this SO2Is absorbed into the oxygen storage / active oxygen release agent 61 by the same mechanism as that of 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 oxygen storage / 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-Is diffused into the oxygen storage / active oxygen release agent 61 in the form of potassium sulfate K2SO4Generate In this manner, potassium nitrate KNO is contained in the oxygen storage / active oxygen release catalyst 61.3And potassium sulfate K2SO4Is generated.
[0048]
On the other hand, in the combustion chamber 5, fine particles mainly composed of carbon C are generated, and therefore, these fine particles are contained in the exhaust gas. These fine particles contained in the exhaust gas are generated when the exhaust gas flows in the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22a or when the exhaust gas flows from the exhaust gas inflow passage 50 to the exhaust gas outflow passage 51 in FIG. ), It contacts and adheres to the surface of the carrier layer, for example, the surface of the oxygen storage / active oxygen release agent 61 as indicated by 62.
[0049]
As described above, when the fine particles 62 adhere to the surface of the oxygen storage / active oxygen release agent 61, the oxygen concentration decreases at the contact surface between the fine particles 62 and the oxygen storage / active oxygen release agent 61. When the oxygen concentration decreases, a difference in concentration occurs between the oxygen storage / active oxygen release agent 61 having a high oxygen concentration and the oxygen in the oxygen storage / active oxygen release agent 61 is thus separated from the fine particles 62 and the oxygen storage / active oxygen release agent. Attempts to move toward the contact surface with the release agent 61. As a result, potassium nitrate KNO formed in the oxygen storage / active oxygen release agent 613Is decomposed into potassium K, oxygen O and NO, oxygen O is directed to the contact surface between the fine particles 62 and the oxygen storage / active oxygen release agent 61, and NO is released from the oxygen storage / active oxygen release agent 61 to the outside. . The NO released to the outside is oxidized on the platinum Pt on the downstream side and is again absorbed in the oxygen storage / active oxygen release agent 61.
[0050]
On the other hand, at this time, the potassium sulfate K formed in the oxygen storage / active oxygen release agent 612SO4Are tightly bound, so potassium K, oxygen O and SO2It is hard to be decomposed into. Therefore, when the ambient temperature is low, it is difficult to release active oxygen even if the oxygen concentration decreases.
[0051]
On the other hand, oxygen O heading toward the contact surface between the fine particles 62 and the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 is potassium nitrate KNO3Is 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 fine particles 62 and the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 is active oxygen O. When the active oxygen O comes in contact with the fine particles 62, the fine particles 62 are oxidized in a short time of several minutes to several tens minutes without emitting a bright flame. The active oxygen O that oxidizes the fine particles 62 is supplied to the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 by NO and SO.2It is also released when is absorbed. That is, NOXRepresents nitrate ion NO in the oxygen storage / active oxygen release agent 61 while repeatedly bonding and separating oxygen atoms.3 It is considered that the active oxygen diffuses in the form of, and active oxygen is generated during this time. The fine particles 62 are also oxidized by the active oxygen. Further, the fine particles 62 attached to the particulate filter 22a are oxidized by the active oxygen O, but the fine particles 62 are also oxidized by the oxygen in the exhaust gas.
[0052]
When the fine particles deposited on the particulate filter 22a in a layered manner as in the prior art are burned, the particulate filter 22a glows red and burns with a flame. Such combustion with a flame cannot be sustained unless it is at a high temperature. Therefore, in order to maintain the combustion with such a flame, the temperature of the particulate filter 22a must be maintained at a high temperature.
[0053]
On the other hand, in the present invention, the fine particles 62 are oxidized without emitting a bright flame as described above, and the surface of the particulate filter 22a does not glow at this time. In other words, in other words, in the present invention, the fine particles 62 are oxidized and removed at a considerably lower temperature than in the prior art. Therefore, the action of removing fine particles 62 that do not emit a bright flame by oxidation according to the present invention is completely different from the action of removing fine particles by conventional combustion accompanied by a flame.
[0054]
By the way, the platinum Pt and the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 are activated as the temperature of the particulate filter 22a increases, so that the amount of the active oxygen O released by the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 per unit time is limited by the particulate filter. It increases as the temperature of 22a increases. In addition, as a matter of course, the higher the temperature of the fine particles themselves, the more easily they are oxidized and removed. Accordingly, the amount of fine particles that can be removed by oxidation on the particulate filter 22a without emitting luminous flame per unit time increases as the temperature of the particulate filter 22a increases.
[0055]
The solid line in FIG. 5 indicates the amount G of the oxidizable particles that can be oxidized and removed without emitting a luminous flame per unit time, and the horizontal axis in FIG. 5 indicates the temperature TF of the particulate filter 22a. FIG. 5 shows the amount of fine particles G that can be oxidized and removed per second when the unit time is 1 second, that is, an arbitrary time such as 1 minute or 10 minutes is adopted as the unit time. be able to. For example, if 10 minutes is used as the unit time, the amount G of oxidizable and removable particles per unit time indicates the amount G of oxidizable and removable particles per 10 minutes. As shown in FIG. 5, the amount G of oxidizable particles that can be oxidized and removed without emitting a bright flame per hour increases as the temperature of the particulate filter increases.
[0056]
When the amount of fine particles discharged from the combustion chamber 5 per unit time is referred to as a discharged fine particle amount M, when the discharged fine particle amount M is smaller than the oxidizable and removable fine particles G, for example, the discharged fine particle amount M per second Is smaller than the amount G of oxidation-removable fine particles per second, or when the amount M of discharged fine particles per 10 minutes is smaller than the amount G of oxidation-removable fine particles per 10 minutes, that is, in the region I of FIG. All the particulates discharged from 5 are sequentially oxidized and removed on the particulate filter 22a within a short period of time without emitting a bright flame.
[0057]
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 of FIG. 5, the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles. FIGS. 4A to 4C show how the fine particles are oxidized in such a case.
[0058]
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles, as shown in FIG. 4A, when the fine particles 62 adhere to the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61, a part of the fine particles 62 Only the fine particles are oxidized, and the finely-oxidized fine particles remain on the carrier layer. Next, when the state of the shortage of the active oxygen amount continues, the fine particles which were not oxidized one after another remain on the carrier layer, and as a result, the surface of the carrier layer remains as shown in FIG. It becomes covered with the fine particle portion 63.
[0059]
Such residual fine particle portions 63 are gradually changed to carbon materials which are hardly oxidized. When the surface of the carrier layer is covered with the residual fine particle portions 63, NO, SO by platinum Pt is used.24 and the active oxygen releasing action of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 are suppressed, so that the residual fine particle portion 63 remains as it is without being oxidized. Thus, as shown in FIG. Another fine particle 64 is deposited on the remaining fine particle portion 63 one after another. That is, the fine particles are deposited in a layered manner. When the fine particles are deposited in a layered manner as described above, the fine particles 64 are oxidized by the active oxygen O even if the fine particles are easily oxidized because they are separated from the platinum Pt and the oxygen storage / active oxygen releasing agent. Never. Therefore, further fine particles are deposited on the fine particles 64 one after another. That is, 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 fine particles accumulate on the particulate filter 22a in a layered manner. Unless the temperature of the filter 22a is increased, the deposited fine particles cannot be ignited and burned.
[0060]
As described above, in the region I of FIG. 5, the fine particles are oxidized in a short time without emitting a bright flame on the particulate filter 22a, and in the region II of FIG. 5, the fine particles are deposited on the particulate filter 22a in a stacked manner. I do. Therefore, in order to prevent the fine particles from depositing on the particulate filter 22a in a stacked state, it is necessary that the discharged fine particle amount M is always smaller than the oxidizable and removable fine particle amount G.
[0061]
As can be seen from FIG. 5, the particulate filter 22a used in the embodiment of the present invention can oxidize the fine particles even if the temperature TF of the particulate filter 22a is considerably low, and therefore the compression ignition shown in FIG. In the internal combustion engine, it is possible to maintain the amount M of discharged particulate and the temperature TF of the particulate filter 22a such that the amount M of discharged particulate is always smaller than the amount G of particulate that can be removed by oxidation. If the amount M of discharged fine particles is always smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, no fine particles are deposited on the particulate filter 22a, and thus the back pressure does not increase at all. Therefore, the engine output does not decrease at all. On the other hand, in order to always increase the amount G of oxidizable particles that can be removed by oxidation, the amount of fuel injection is always increased to increase the temperature of the exhaust gas and the temperature TF of the particulate filter 22a to increase the amount M of the discharged particles. As a result, the fuel efficiency of the internal combustion engine decreases.
[0062]
On the other hand, as described above, once the fine particles are deposited in layers on the particulate filter 22a, it is difficult to oxidize the fine particles with the active oxygen O even if the amount M of discharged fine particles is smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation. It is. However, when the unoxidized fine particle portion is beginning to remain, that is, when the amount of exhaust fine particles M is smaller than the amount G of oxidizable and removable fine particles when the fine particles are deposited only below a certain limit, the residual fine particle portion is reduced by active oxygen O. It is oxidized and removed without producing a bright flame. Therefore, as shown in FIG. 4B, even if the discharged fine particle amount M is made smaller than the oxidatively removable fine particle amount G and the discharged fine particle amount M becomes larger than the oxidatively removable fine particle amount G as needed. In order that the surface of the carrier layer is not covered by the residual fine particle portion 63, that is, only a small amount of fine particles on the particulate filter 22a which can be oxidized and removed when the discharged fine particle amount M becomes smaller than the oxidizable and removable fine particle amount G is reduced. In general, it is also possible to maintain the amount M of discharged particulates and the temperature TF of the particulate filter 22a in order to improve the fuel efficiency of the internal combustion engine so as not to be stacked.
[0063]
Immediately after the start of the engine, the temperature TF of the particulate filter 22a is low. Therefore, at this time, the amount M of discharged fine particles is larger than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation. Therefore, considering actual driving, it is considered that such control is more suitable for the actual situation. When the particulates are deposited on the particulate filter 22a in a layered manner, the air-fuel ratio of a part or the whole of the exhaust gas is temporarily made rich, and the exhaust gas is post-burned to raise the temperature TF of the particulate filter 22a. Thereby, the state of the particulate filter 22a is positioned in the region I of FIG. 5, whereby the fine particles deposited on the particulate filter 22a can be oxidized without emitting a bright flame. In this case, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas is reduced, the active oxygen O is released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 to the outside at a stretch, and the fine particles deposited by the active oxygen O released at a stretch are It is easily oxidized and easily oxidized and removed.
[0064]
On the other hand, if the air-fuel ratio of the exhaust gas is kept lean, the surface of the platinum Pt is covered with oxygen, and so-called oxygen poisoning of the platinum Pt occurs. NO when such oxygen poisoning occursXNO due to reduced oxidizing action onXOf the active oxygen from the oxygen storage / 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, NO becomes NO.XNO due to enhanced oxidizing action onXIs increased, and the amount of active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 increases.
[0065]
Accordingly, when the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich while the air-fuel ratio is maintained lean, oxygen poisoning of the platinum Pt is eliminated each time, so that active oxygen release when the air-fuel ratio is lean is released. The amount is increased, and thus the oxidizing action of the fine particles on the particulate filter 22a can be promoted.
[0066]
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.
[0067]
In making the air-fuel ratio of the exhaust gas rich, the air-fuel ratio of the exhaust gas may be made rich when it is determined that the particulates have been deposited in layers on the particulate filter 22a, or without such determination. The air-fuel ratio of the exhaust gas may be made rich periodically or irregularly. As a method of making the air-fuel ratio of the exhaust gas rich, for example, when the engine load is relatively low, the throttle valve 17 is opened so that the EGR rate (EGR gas amount / (intake air amount + EGR gas amount)) becomes 65% or more. The degree and the opening of the EGR control valve 25 are controlled, and at this time, a method of controlling the injection amount so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes rich can be used. Further, in order to make the air-fuel ratio of the exhaust gas rich, in addition to the normal main fuel injection during the compression stroke, fuel may be injected into the cylinder during the exhaust stroke or the expansion stroke, or the cylinder may be injected during the intake stroke. You may inject fuel inside. These additional fuel injections may not have an interval between the main fuel injection. Further, fuel may be directly injected into the engine exhaust system.
[0068]
By the way, at the time of engine high load operation, relatively high temperature exhaust gas is supplied to the particulate filter 22a. Accordingly, the temperature TF of the particulate filter 22a is increased by the high-temperature exhaust gas, so that the fine particles deposited on the particulate filter 22a are oxidized without emitting a bright flame, while the particulates are ignited during the engine middle load operation. The temperature of the exhaust gas supplied to the particulate filter 22a is not as high as the temperature of the exhaust gas supplied to the particulate filter 22a during the high engine load operation. Therefore, during the engine middle load operation, the temperature TF of the particulate filter 22a cannot be increased so that the fine particles deposited on the particulate filter 22a by the exhaust gas are oxidized without emitting a bright flame. Therefore, in the present embodiment, in order to oxidize the fine particles deposited on the particulate filter 22a without emitting a bright flame, the auxiliary fuel injection is executed and the main fuel injection timing is retarded to remove the unburned fuel from the engine exhaust passage. The exhaust gas which is post-burned in the inside and the temperature thereof is increased accordingly is supplied to the particulate filter 22a.
[0069]
Incidentally, the fuel and the lubricating oil contain calcium Ca, and therefore, the calcium Ca is contained in the exhaust gas. This calcium Ca is SO3In the presence of calcium sulfate CaSO4Generate This calcium sulfate CaSO4Is a solid and does not thermally decompose at high temperatures. Therefore, calcium sulfate CaSO4Is produced, this calcium sulfate CaSO4As a result, the pores of the particulate filter 22a are closed, and as a result, it becomes difficult for the exhaust gas to flow through the particulate filter 22a. In this case, when an alkali metal or an alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, for example, potassium K is used as the oxygen storage / active oxygen release agent 61, SO diffuses into the oxygen storage / active oxygen release agent 61.3Combines with potassium K to form potassium sulfate K2SO4And calcium Ca is SO3The exhaust gas passes through the partition wall 54 of the particulate filter 22a without flowing into the exhaust gas outlet passage 51. Therefore, the pores of the particulate filter 22a are not clogged. Therefore, as described above, as the oxygen storage / active oxygen release agent 61, 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, strontium Sr is used. It will be preferable to use.
[0070]
FIG. 6 is a diagram showing a first operation mode in which priority is given to improving the fuel efficiency of the internal combustion engine and a second operation mode in which priority is given to regeneration of the particulate filter. In detail, FIG. 6A shows a first operation mode, and FIG. 6B shows a second operation mode. 6, the vertical axis indicates the required load L, and the horizontal axis indicates the engine speed N. In the present embodiment, usually, the first operation mode (FIG. 6 (A)) in which priority is given to improving the fuel efficiency of the internal combustion engine is selected, and the particulates deposited on the particulate filter 22a are oxidized and removed. Therefore, when the particulate filter 22a is to be regenerated, the second operation mode (FIG. 6B) in which the regeneration of the particulate filter 22a is prioritized is selected.
[0071]
In detail, as shown in FIG. 6A, the first operation mode is divided into an engine low load operation area A1 and an engine middle high load operation area A2. When the first operation mode is selected and the engine operation state is within the engine low-load operation region A1, low-temperature combustion, which will be described in detail later, that is, EGR gas in which the amount of soot generation peaks Low temperature combustion is performed in which the amount of EGR gas supplied into the combustion chamber 5 is larger than the amount and soot is hardly generated. As a result, the fuel efficiency of the internal combustion engine is improved, and the amount of soot generation and NOXIs suppressed at the same time. On the other hand, when the first operation mode is selected and the engine operation state is in the engine middle high load operation area A2, the amount of soot generated is supplied to the combustion chamber 5 more than the peak EGR gas amount. Normal combustion in which the amount of EGR gas to be performed is small is executed. As a result, the fuel efficiency of the internal combustion engine is improved, and the amount of soot generation and NOXIs suppressed at the same time.
[0072]
As shown in FIG. 6B, the second operation mode is divided into an engine low load operation region B1, an engine middle load operation region B2, and an engine high load operation region B3. When the second operation mode is selected and the engine operation state is within the engine low-load operation region B1, low-temperature combustion is executed as in the first operation mode. As a result, the fuel efficiency of the internal combustion engine is improved, and the amount of soot generation and NOXIs suppressed at the same time. In addition, the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes rich during low-temperature combustion in which the amount of EGR gas is increased, so that the unburned fuel in the exhaust gas is post-burned in the engine exhaust passage, and the temperature of the particulate filter 22a increases. The amount of active oxygen released increases, and as a result, the particulate filter 22a is regenerated. When the second operation mode is selected and the engine operation state is within the engine middle load operation region B2, the auxiliary fuel injection is executed in addition to the main fuel injection, and the main fuel injection timing is retarded. Is done. The auxiliary fuel is supplied into the engine exhaust passage without being completely burned in the combustion chamber 5, and is post-burned in the engine exhaust passage. Similarly, the main fuel whose injection timing has been retarded is also supplied to the engine exhaust passage without being completely burned in the combustion chamber 5, and is post-burned in the engine exhaust passage. As a result, the temperature of the particulate filter 22a is increased, and the particulate filter 22a is regenerated. When the second operation mode is selected and the engine operation state is within the engine high load operation region B3, the normal combustion is performed as in the first operation mode. As a result, the fuel efficiency of the internal combustion engine is improved, and the amount of soot generation and NOXIs suppressed at the same time. In addition, since the exhaust gas temperature becomes relatively high during high engine load operation, the temperature of the particulate filter 22a is increased by the exhaust gas, and as a result, the particulate filter 22a is regenerated.
[0073]
FIG. 7 is a flowchart illustrating the operation control method according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, when this routine is started, first, in step 100, it is determined whether or not it is time to reproduce the particulate filter 22a. Specifically, when it is estimated that a predetermined amount of fine particles have accumulated on the particulate filter 22a, it is determined that it is time to regenerate the particulate filter 22a, and the amount of fine particles accumulated on the particulate filter 22a is less than the predetermined amount. , It is determined that it is not time to reproduce the particulate filter 22a. Specifically, when a predetermined period of time determined based on the capacity of the particulate filter 22a has elapsed while combustion is being performed under the first operation mode, a predetermined amount of particulates has accumulated on the particulate filter 22a. It is estimated to be. On the other hand, it is estimated that the regeneration of the particulate filter 22a has been completed when a predetermined period determined based on the capacity of the particulate filter 22a has elapsed while combustion is being performed in the second operation mode. . In another embodiment, instead, it may be estimated that a predetermined amount of particulates has accumulated on the particulate filter 22a when the vehicle equipped with the internal combustion engine has traveled a predetermined distance. Alternatively, a back pressure sensor (not shown) is provided on the upstream side of the exhaust gas flow of the particulate filter 22a, and when the back pressure increases, it is estimated that a predetermined amount of fine particles has accumulated on the particulate filter 22a, and the back pressure decreases. At that time, it may be estimated that the regeneration of the particulate filter 22a has been completed. When the determination is NO in Step 100, the process proceeds to Step 101, and when the determination is YES in Step 100, the process proceeds to Step 102. Proceed to step 102. In step 101, the engine is operated under the first operation mode shown in FIG. On the other hand, in step 102, the operation of the engine under the second operation mode shown in FIG. 6B is performed.
[0074]
FIG. 8 is a flowchart showing a subroutine executed in step 101 of FIG. As shown in FIG. 8, when this routine is started, first, in step 200, it is determined whether or not the engine operation state is within the engine low load operation area A1 of FIG. 6A. If the determination is YES, the process proceeds to step 201, and if the determination is NO, the process proceeds to step 207. In step 201, the target opening ST of the throttle valve 17 is calculated from the map shown in FIG. 10A, and the opening of the throttle valve 17 is set to the target opening ST. Next, at step 202, the target opening SE of the EGR control valve 25 is calculated from the map shown in FIG. 10B, and the opening of the EGR control valve 25 is set as the target opening SE. Next, at step 203, the intake air amount Ga detected by the air flow meter 44 is taken in. Next, at step 204, the target air-fuel ratio A / F is calculated from the map shown in FIG. 9B. Next, at step 205, the fuel injection amount Q necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F is calculated based on the intake air amount Ga and the target air-fuel ratio A / F. Next, at step 206, the target fuel injection start timing θS is calculated from the map shown in FIG.
[0075]
FIG. 9A shows the target air-fuel ratio A / F in the engine low load operation region A1. In FIG. 9 (A), the curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 have target air-fuel ratios of 15.5, 16, and 17, respectively. , 18 and the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 9A, the air-fuel ratio is lean in the engine low-load operation region A1, and the target air-fuel ratio A / F is leaner as the required load L decreases in the engine low-load operation region A1. You. 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. 9A, as the required load L decreases, the target air-fuel ratio A / F increases. As the target air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate increases. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, the embodiment according to the present invention increases the target air-fuel ratio A / F as the required load L decreases. .
[0076]
The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 9A 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. 9B. Also, as shown in FIG. 10A, the target opening degree ST of the throttle valve 17 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 25 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 9A is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 10 (B), it 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.
[0077]
On the other hand, in step 207, the target fuel injection amount Q is calculated from the map shown in FIG. 12A, and the fuel injection amount is set as the target fuel injection amount Q. Next, at step 208, the target fuel injection start timing θS is calculated from the map shown in FIG. 12B, and the fuel injection start timing is set to the target fuel injection start timing θS. Next, at step 209, the target opening ST of the throttle valve 17 is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 210, the target opening SE of the EGR control valve 25 is calculated from the map shown in FIG. 14B, and the opening of the EGR control valve 25 is set to this target opening SE. Next, at step 211, the intake air amount Ga detected by the air flow meter 44 is taken. Next, at step 212, the actual air-fuel ratio (A / F) is calculated from the fuel injection amount Q and the intake air amount Ga.RIs calculated. Next, at step 213, the target air-fuel ratio A / F is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 214, the actual air-fuel ratio (A / F)RIs larger than the target air-fuel ratio A / F. (A / F)RIf> A / F, the routine proceeds to step 215, where the throttle opening correction value ΔST is decreased by a constant value α, and then the routine proceeds to step 217. (A / F)RWhen ≤A / F, the routine proceeds to step 216, where the correction value ΔST is increased by a constant value α, and then the routine proceeds to step 217. In step 217, the final target opening ST is calculated by adding the correction value ΔST to the target opening ST of the throttle valve 17, and the opening of the throttle valve 17 is used as the final target opening ST. That is, the actual air-fuel ratio (A / F)RIs controlled to the target air-fuel ratio A / F.
[0078]
FIG. 13A shows the target air-fuel ratio A / F when normal combustion is performed. In FIG. 13A, curves A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate target air-fuel ratios 24, 35, 45, and 60, respectively. ing. The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 13A 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. Further, as shown in FIG. 14A, the target opening ST of the throttle valve 17 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 25 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 13A is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 14 (B), a map is stored in advance in the ROM 32 as a function of the required load L and the engine speed N. Further, during normal combustion, the fuel injection amount Q is calculated based on the required load L and the engine speed N. This fuel injection amount Q 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. Similarly, during normal combustion, the fuel injection start timing θS is calculated based on the required load L and the engine speed N. The fuel injection start timing θS 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.
[0079]
Hereinafter, the above-described low-temperature combustion will be described in detail. FIG. 15 shows a change in the output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 15) is changed by changing the opening degree and the EGR rate of the throttle valve 17 during the low load operation of the engine, and the smoke, HC, CO, NOX4 shows an experimental example showing a change in the emission amount of the gas. As can be seen from FIG. 15, in this experimental example, the smaller the air-fuel ratio A / F, the higher the EGR rate. When the air-fuel ratio A / F is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio (≒ 14.6), the EGR rate is 65% or more. As shown in FIG. 15, when the air-fuel ratio A / F is reduced by increasing the EGR rate, the amount of smoke generated increases when the EGR rate becomes close to 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.
[0080]
FIG. 16A shows a change in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the amount of generated smoke is the largest when the air-fuel ratio A / F is around 21, 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. 16 (A) and FIG. 16 (B), in the case of FIG. 16 (B) in which the amount of smoke generation is almost zero, FIG. 16 (A) in which the amount of smoke generation is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than the case shown.
[0081]
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. 16B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and accordingly, the combustion temperature in the combustion chamber 5 at this time is low.
[0082]
Second, when the amount of generated smoke, that is, the amount of generated soot becomes almost zero, the amount of HC and CO emissions increases as shown in FIG. This means that hydrocarbons are discharged from the combustion chamber 5 without growing to soot. That is, linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons contained in the fuel as shown in FIG. 17 are thermally decomposed when the temperature is increased in a state of lack of oxygen, soot precursors are formed, and then mainly the soot precursor is formed. A soot consisting of a solid aggregate of carbon atoms is produced. In this case, the actual soot production 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. 15, but HC at this time is a precursor of soot or a hydrocarbon in a state before the soot. . This HC is post-burned in the engine exhaust passage, and the exhaust gas temperature is increased.
[0083]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 15 and 16, 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 exceeded a certain temperature.
[0084]
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, the compression ratio, and the like. I can not 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. At this time NOXIs 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.
[0085]
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 burns has an extremely large effect on suppressing the temperature of the fuel and the gas around the fuel. 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.
[0086]
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, since the combustion heat is absorbed by the surrounding inert gas, the combustion temperature does not rise so much. 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.
[0087]
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 larger the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action, and therefore, the inert gas is preferably a gas having a large 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.
[0088]
FIG. 18 shows the relationship between the EGR rate and 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. 18, a curve A shows a case where the EGR gas is strongly cooled to maintain the EGR gas temperature at approximately 90 ° C., and a curve B shows a 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. As shown by the curve A in FIG. 18, when the EGR gas is cooled strongly, the amount of soot generation peaks at a point where the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to approximately 55% or more. Then, almost no soot is generated. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 18, 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. As shown by the curve C in FIG. 18, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generation reaches a peak near the EGR rate of 55%. Above a percentage, soot is hardly generated. FIG. 18 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load decreases, the EGR rate at which the amount of soot peaks slightly decreases, and the EGR rate at which soot hardly occurs is reduced. 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.
[0089]
FIG. 19 shows a mixed gas amount of the EGR gas and the air necessary to make the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas; The ratio of air in the mixed gas amount and the ratio of EGR gas in the mixed gas are shown. In FIG. 19, 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 shows the required load.
[0090]
Referring to FIG. 19, 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. 19, 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. 19, 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. 15, 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.
[0091]
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. 19, 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. By the way, when the supercharging is not performed, the upper limit of the total intake gas amount X sucked into the combustion chamber 5 is Y. Therefore, in FIG.0In the larger range, the air-fuel ratio cannot be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio unless the EGR gas ratio is reduced as the required load increases. In other words, when supercharging is not performed, the required load is L0If the air-fuel ratio is to be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio in a region larger than the required load, the EGR rate decreases as the required load increases.0In the larger region, the temperature of the fuel and the surrounding gas cannot be maintained at a temperature lower than the temperature at which soot is generated.
[0092]
However, although not shown, when the EGR gas is recirculated through the EGR passage to the inlet side of the supercharger, that is, into the air suction pipe of the exhaust turbocharger, the required load becomes low.0In the larger region, the EGR rate can be maintained at or above 55 percent, for example, 70 percent, and thus the temperature of the fuel and its surrounding gas can be maintained below the temperature at which soot is produced. That is, if the EGR gas is recirculated so that the EGR rate in the air suction pipe becomes, for example, 70%, the EGR rate of the suction gas boosted by the compressor of the exhaust turbocharger also becomes 70%, and thus the pressure is increased by the compressor. To the extent possible, the temperature of the fuel and the gas around it can be kept below the temperature at which soot is produced. Therefore, the operating range of the engine that can generate low-temperature combustion can be expanded. Request load is L0When the EGR rate is set to 55% or more in a larger area, the EGR control valve is fully opened and the throttle valve is slightly closed.
[0093]
As described above, FIG. 19 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. NO while preventing generation ofXIs 10 p. p. m or less, and even if the air amount is larger than the air amount shown in FIG. 19, that is, even if the average value of the air-fuel ratio is 17 to 18 lean, soot generation is prevented. NOXIs 10 p. p. m can be around or below. 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 when the combustion temperature increases, but in the present invention, the soot is suppressed to a low temperature, and soot is reduced. Not generated at all. Furthermore, NOXOnly a very small amount is generated. In this way, when low-temperature combustion is being performed, soot is not generated regardless of the air-fuel ratio, that is, whether the air-fuel ratio is rich, the stoichiometric air-fuel ratio, or the average air-fuel ratio is lean, 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.
[0094]
By the way, the fuel and the surrounding gas temperature during combustion in the combustion chamber can be suppressed below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, only when the engine is under low load operation where the calorific value due to combustion is relatively small. Therefore, in the embodiment according to the present invention, at the time of engine low load operation, the fuel during combustion and the surrounding gas temperature are suppressed to a temperature at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, so that low temperature combustion is performed. Normal combustion is performed. Here, low-temperature combustion refers to combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of soot generation peaks, and soot is hardly generated, as is clear from the description so far. The normal combustion refers to combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the amount of generated soot reaches a peak.
[0095]
Next, the operation control in the engine low load operation area A1 and the engine middle high load operation area A2 shown in FIG. 6A will be described with reference to FIG. FIG. 20 shows the opening of the throttle valve 17, the opening of the EGR control valve 25, 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. 20, in the engine low load operation region A1 where the required load L is low, the opening of the throttle valve 17 is gradually increased from almost fully closed to about 2/3 as the required load L increases. The degree of opening of the EGR control valve 25 is gradually increased from almost fully closed to fully open as the required load L increases. In the example shown in FIG. 20, the EGR rate in the engine low load operation region A1 is set to approximately 70%, and the air-fuel ratio is set to a slightly lean air-fuel ratio.
[0096]
In other words, in the engine low load operation region A1, the opening of the throttle valve 17 and the opening of the EGR control valve 25 are controlled so that the EGR rate becomes approximately 70% and the air-fuel ratio becomes a slightly lean air-fuel ratio. Further, in the engine low load operation region A1, 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. During idle operation, the throttle valve 17 is closed to near full closure, and at this time, the EGR control valve 25 is also closed to near full closure. When the throttle valve 17 is closed close to the fully closed state, 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, the throttle valve 17 is closed almost fully to suppress the vibration of the engine body 1.
[0097]
On the other hand, when the operation region of the engine changes from the low engine load operation region A1 to the high engine load operation region A2, the opening of the throttle valve 20 is increased stepwise from about 2/3 opening to full opening. At this time, in the example shown in FIG. 20, 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. 18) in which a large amount of smoke is generated, a large amount of smoke may be generated when the operation region of the engine changes from the low engine load operation region A1 to the high engine load operation region A2. Absent. In the engine middle high load operation region A2, normal combustion that has been performed conventionally is performed. In the engine middle high load operation region A2, the throttle valve 17 is kept fully open except for a part, and the opening of the EGR control valve 25 is gradually reduced as the required load L increases. Further, in the engine middle high load operation region A2, 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. Further, in the engine middle and high load operation region A2, the injection start timing θS is set near the compression top dead center TDC.
[0098]
FIGS. 21 and 22 are flowcharts showing a subroutine executed in step 102 of FIG. As shown in FIGS. 21 and 22, when this routine is started, first, in step 300, it is determined whether or not the engine operation state is within the engine low load operation region B1 of FIG. 6B. If the determination is YES, the process proceeds to step 201, and if the determination is NO, the process proceeds to step 301. In step 201, the target opening ST of the throttle valve 17 is calculated from the map shown in FIG. 10A in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8). The opening degree ST is set. Next, at step 202, the target opening SE of the EGR control valve 25 is calculated from the map shown in FIG. 10B in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8), and the opening of the EGR control valve 25 is calculated. Is the target opening degree SE. Next, at step 203, the intake air amount Ga detected by the air flow meter 44 is taken in the same manner as when the first operation mode was selected (FIG. 8), and then at step 204, the first operation mode was selected. Similarly to the time (FIG. 8), the target air-fuel ratio A / F is calculated from the map shown in FIG. 9B. Next, at step 205, it is necessary to set the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F based on the intake air amount Ga and the target air-fuel ratio A / F as in the case where the first operation mode is selected (FIG. 8). The fuel injection amount Q is calculated. Next, at step 206, the target fuel injection start timing θS is calculated from the map shown in FIG. 11 as in the case where the first operation mode is selected (FIG. 8).
[0099]
In step 301, it is determined whether or not the engine operation state is within the engine high load operation area B3 of FIG. 6B. If the determination is YES, the process proceeds to step 207. If the determination is NO, the process proceeds to step 302. In step 207, the target fuel injection amount Q is calculated from the map shown in FIG. 12A in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8). Is done. Next, at step 208, the target fuel injection start timing θS is calculated from the map shown in FIG. 12B in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8), and the fuel injection start timing is set to the target fuel injection timing. The start time θS is set. Next, at step 209, the target opening ST of the throttle valve 17 is calculated from the map shown in FIG. 14A in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8). Next, at step 210, the target opening SE of the EGR control valve 25 is calculated from the map shown in FIG. 14B in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8), and the opening of the EGR control valve 25 is calculated. Is the target opening degree SE. Next, at step 211, the intake air amount Ga detected by the air flow meter 44 is taken in the same manner as when the first operation mode was selected (FIG. 8). Next, at step 212, the actual air-fuel ratio (A / F) is obtained from the fuel injection amount Q and the intake air amount Ga in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8).RIs calculated.
[0100]
Next, at step 213, the target air-fuel ratio A / F is calculated from the map shown in FIG. 13B similarly to the case where the first operation mode is selected (FIG. 8). Next, at step 214, the actual air-fuel ratio (A / F) is the same as when the first operation mode was selected (FIG. 8).RIs larger than the target air-fuel ratio A / F. (A / F)RIf> A / F, as in the case where the first operation mode is selected (FIG. 8), the routine proceeds to step 215, in which the throttle opening correction value ΔST is reduced by a constant value α, and then to step 217. (A / F)RWhen ≦ A / F, the process proceeds to step 216 as in the case where the first operation mode is selected (FIG. 8), the correction value ΔST is increased by a constant value α, and then the process proceeds to step 217. In step 217, the final target opening ST is calculated by adding the correction value ΔST to the target opening ST of the throttle valve 17 in the same manner as when the first operation mode is selected (FIG. 8). The opening 17 is the final target opening ST. That is, the actual air-fuel ratio (A / F)RIs controlled to the target air-fuel ratio A / F.
[0101]
On the other hand, when it is determined in step 301 that the engine operation state is within the engine middle load operation area B2 in FIG. 6B, the target main fuel injection amount Q1 is determined in step 302 from the map shown in FIG. The calculated main fuel injection amount is set as the target main fuel injection amount Q1. Next, at step 303, the target main fuel injection start timing θS1 is calculated from the map shown in FIG. 23B, and the main fuel injection start timing is set to the target main fuel injection start timing θS1. In the present embodiment, the target main fuel injection start timing θS1 is delayed from the target fuel injection start timing θS in step 208 in FIG. Next, at step 304, the target auxiliary fuel injection amount Q2 is calculated from the map shown in FIG. 24A, and the auxiliary fuel injection amount is set as the target auxiliary fuel injection amount Q2. Next, at step 305, the target auxiliary fuel injection start timing θS2 is calculated from the map shown in FIG. 24 (B), and the auxiliary fuel injection start timing is set to the target auxiliary fuel injection start timing θS2. In the present embodiment, the target sub fuel injection start timing θS2 is set between the exhaust stroke and the intake stroke, and the sub fuel injection is so-called VIGOM injection. In a modification of the present embodiment, so-called pilot injection can be performed as sub-fuel injection instead of VIGOM injection. In this case, the target sub-fuel injection start timing calculated in step 303 is the target main fuel injection start timing. The compression stroke is set at the end of the compression stroke immediately before the timing θS1.
[0102]
Next, at step 306, the target opening degree ST of the throttle valve 17 is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 307, the target opening SE of the EGR control valve 25 is calculated from the map shown in FIG. 25C, and the opening of the EGR control valve 25 is set as the target opening SE. Next, at step 308, the intake air amount Ga detected by the air flow meter 44 is taken. Next, at step 309, the actual air-fuel ratio (A / F) is calculated from the fuel injection amount Q1 and the intake air amount Ga.RIs calculated. Next, at step 310, the target air-fuel ratio A / F is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 311, the actual air-fuel ratio (A / F)RIs larger than the target air-fuel ratio A / F. (A / F)RIf> A / F, the routine proceeds to step 312, where the correction value ΔST of the throttle opening is decreased by a constant value α, and then the routine proceeds to step 314. (A / F)RIf ≦ A / F, the routine proceeds to step 313, where the correction value ΔST is increased by a constant value α, and then the routine proceeds to step 314. In step 314, the final target opening ST is calculated by adding the correction value ΔST to the target opening ST of the throttle valve 17, and the opening of the throttle valve 17 is used as the final target opening ST. That is, the actual air-fuel ratio (A / F)RIs controlled to the target air-fuel ratio A / F.
[0103]
The target air-fuel ratio A / F when the second operation mode is selected and the engine is in the middle load operation is a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. In advance in the ROM 32. Further, as shown in FIG. 25B, the target opening ST of the throttle valve 17 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 25 required for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 25A is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 25 (C), it 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. Further, when the second operation mode is selected and the engine is operating under the medium load, the main fuel injection amount Q1 is calculated based on the required load L and the engine speed N. The main fuel injection amount Q1 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. Similarly, when the second operation mode is selected and the engine is under the medium load operation, the main fuel injection start timing θS1 is calculated based on the required load L and the engine speed N. The main fuel injection start timing θS1 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. Further, when the second operation mode is selected and the engine is operating under the medium load, the auxiliary fuel injection amount Q2 is calculated based on the required load L and the engine speed N. The auxiliary fuel injection amount Q2 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. Similarly, when the second operation mode is selected and the engine is in the middle load operation, the auxiliary fuel injection start timing θS2 is calculated based on the required load L and the engine speed N. The auxiliary fuel injection start timing θS2 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.
[0104]
FIG. 26 is a flowchart showing a control method for suppressing the temperature of the particulate filter 22a from excessively increasing in the second operation mode. This routine is determined as YES in step 100 of FIG. 7, and is executed as an interrupt routine when the particulate filter 22a is being reproduced. As shown in FIG. 26, when this routine is started, first, in step 400, it is determined whether or not the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively. In the present embodiment, when YES is determined in step 100 of FIG. 7 and the elapsed time from the time when the first operation mode is switched to the second operation mode exceeds a predetermined threshold, the particulate matter It is determined that the temperature of the filter 22a is about to rise excessively. In another embodiment, instead, when the outgassing temperature from the particulate filter 22a detected by the outgassing temperature sensor 39b exceeds a predetermined threshold, the particulate filter 22a is about to rise excessively. It is also possible to make a determination. When YES is determined in Step 400, the process proceeds to Step 401, and when NO is determined, this routine is ended.
[0105]
In step 401, it is determined whether or not the engine operation state is within the engine low load operation area B1 of FIG. When the determination is YES, that is, when the engine is in the low load operation in which the second operation mode is selected and low-temperature combustion is being performed, the process proceeds to step 402, and when the determination is NO, the process proceeds to step 405. In step 402, the target air-fuel ratio A / F calculated based on the map of FIG. 9B in step 204 of FIG. 21 is made lean. As a result, the fuel that has been post-burned in the engine exhaust passage is burned in the combustion chamber 5, and an excessive increase in the exhaust gas temperature is suppressed. In step 403, it is determined whether or not the engine operation state is within the engine high load operation area B3 in FIG. When YES, that is, when the engine is in the high-load operation mode in which the second operation mode is selected and the normal combustion is being performed, the process proceeds to step 404, and when NO, that is, the second operation mode is selected. When the engine is operating at medium load and the sub fuel injection is being executed and the main fuel injection timing is retarded, the routine proceeds to step 405. In step 404, the target fuel injection start timing θS calculated based on the map in FIG. 12B in step 208 in FIG. 21 is advanced. As a result, the fuel that has been post-burned in the engine exhaust passage is burned in the combustion chamber 5, and an excessive increase in the exhaust gas temperature is suppressed. On the other hand, at step 405, the target main fuel injection start timing θS1 calculated based on the map of FIG. 23B in step 303 of FIG. 22 is advanced, and the sub fuel injection is stopped. As a result, the fuel that has been post-burned in the engine exhaust passage is burned in the combustion chamber 5, and an excessive increase in the exhaust gas temperature is suppressed.
[0106]
Preferably, the leaning of the target air-fuel ratio A / F in step 402 is gradually performed, the advance of the target fuel injection start timing θS in step 404 is gradually performed, and the target main fuel injection start timing θS1 in step 405 is performed. Is gradually advanced. Further, in another embodiment, instead of executing steps 402, 404, and 405, when it is determined in step 400 that the particulate filter 22a is about to be excessively heated, it is executed in the first operation mode. It is also possible to execute interrupted combustion. Preferably, the frequency of this interrupt execution is gradually increased.
[0107]
FIGS. 27 and 28 are diagrams showing the relationship between time and the temperature of the particulate filter 22a. More specifically, FIG. 27A shows a case where the excessive temperature rise suppression control routine for the particulate filter shown in FIG. 26 is not provided. In the case shown in FIG. 27 (A), if YES is determined in step 100 of FIG. 7 at time t1 and combustion is performed under the second operation mode, fuel is post-burned in the engine exhaust passage. The temperature of the incoming gas, which is the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a, and the temperature of the outgas, which is the temperature of the exhaust gas flowing out of the particulate filter 22a, rise, and the temperature of the particulate filter 22a falls within the regeneration temperature range ( T1 and T2). However, unless the particulate filter excessive temperature rise suppression control routine shown in FIG. 26 is provided, the outgassing temperature continues to rise, and the temperature of the particulate filter 22a falls within the burnout temperature region (T3 or more). I will.
[0108]
FIGS. 27 (B), 28 (A) and 28 (B) show a case where the excessive temperature rise suppression control routine for the particulate filter shown in FIG. 26 is provided. In the case shown in FIG. 27 (A), if YES is determined in step 100 of FIG. 7 at time t1 and combustion is performed under the second operation mode, fuel is post-burned in the engine exhaust passage. The incoming gas temperature and the outgoing gas temperature rise, and the temperature of the particulate filter 22a enters the regeneration temperature region (T1 to T2). Thereafter, the timing for regenerating the particulate filter 22a in step 100 of FIG. 7 at time t2 is not reached without determining that the temperature of the particulate filter 22a is about to rise excessively in step 400 of FIG. It is determined that the regeneration of the particulate filter 22a has been completed, and in step 101, the combustion under the first operation mode is performed again.
[0109]
In the case shown in FIG. 28 (A), if YES is determined in step 100 of FIG. 7 at time t1 and combustion is performed under the second operation mode, fuel is post-burned in the engine exhaust passage. The incoming gas temperature and the outgoing gas temperature rise, and the temperature of the particulate filter 22a enters the regeneration temperature region (T1 to T2). Thereafter, at time t3, it is determined in step 400 of FIG. 26 that the particulate filter 22a is about to rise excessively, and step 402, step 404, or step 405 of FIG. 26 is executed, and the temperature of the particulate filter 22a is increased. Is suppressed. Next, at time t4, NO is determined in step 400 of FIG. 26, and the combustion under the second operation mode is executed as in the period from time t1 to time t3. Next, at time t5, it is determined in step 400 of FIG. 26 that the temperature of the particulate filter 22a is about to rise excessively, and step 402, step 404, or step 405 of FIG. 26 is executed to suppress the temperature rise of the particulate filter 22a. Is done. Next, at time t6, NO is determined in step 400 of FIG. 26, and the combustion under the second operation mode is executed as in the period from time t1 to time t3. Next, at time t7, it is determined that the timing to regenerate the particulate filter 22a in step 100 of FIG. 7 is not reached, that is, it is determined that the regeneration of the particulate filter 22a has been completed. Combustion takes place.
[0110]
In the case shown in FIG. 28 (B), if YES is determined in step 100 of FIG. 7 at time t1 and combustion is performed under the second operation mode, fuel is post-burned in the engine exhaust passage. The incoming gas temperature and the outgoing gas temperature rise, and the temperature of the particulate filter 22a enters the regeneration temperature region (T1 to T2). Thereafter, at time t8, it is determined in step 400 of FIG. 26 that the temperature of the particulate filter 22a is about to rise excessively, and combustion in the first operation mode is interrupted. Next, at time t9, NO is determined in step 400 of FIG. 26, and the combustion under the second operation mode is executed as in the period from time t1 to time t8. Next, at time t10, it is determined that the timing to regenerate the particulate filter 22a in step 100 of FIG. 7 has disappeared, that is, it is determined that the regeneration of the particulate filter 22a has been completed. Combustion takes place.
[0111]
According to the present embodiment, the oxygen storage / active oxygen release agent 61 carried on the particulate filter 22a captures and holds oxygen when excess oxygen is present in the surroundings, and reduces the oxygen concentration when the surrounding oxygen concentration decreases. The retained oxygen is released in the form of active oxygen. Therefore, unlike the conventional case where the fine particles are deposited on the particulate filter and then removed by emitting a bright flame, the fine particles are deposited on the particulate filter 22a before being deposited. In addition, the fine particles can be oxidized and removed by the active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 without emitting bright flame. Further, according to the present embodiment, the first operation mode (FIG. 6A) giving priority to improving the fuel efficiency of the internal combustion engine and the second operation mode giving priority to regeneration of the particulate filter 22a (FIG. 6B) is switched as necessary. Therefore, it is possible to suppress the accumulation of fine particles on the particulate filter while improving the fuel efficiency of the internal combustion engine. More specifically, in step 100 of FIG. 7, the first operation mode (FIG. 6A) in which priority is given to improving the fuel consumption of the internal combustion engine in principle is selected, and the particulate filter 22a is regenerated. Is selected, the second operation mode (FIG. 6B) in which the priority is given to the regeneration of the particulate filter 22a when it becomes necessary. Therefore, the accumulation of fine particles on the particulate filter 22a can be suppressed more than necessary, and the fuel consumption of the internal combustion engine can be prevented from deteriorating accordingly.
[0112]
Further, according to the present embodiment, when the second operation mode (FIG. 6B) in which priority is given to the regeneration of the particulate filter 22 a is selected, and during the engine middle load operation (FIG. In B2) of B), the sub fuel injection is executed in step 304 of FIG. 22, and the main fuel injection timing is retarded in step 303. Therefore, even when the engine is operating at low load (B1), which is capable of performing low-temperature combustion, and is not operating at high load (B3), which is capable of discharging high-temperature exhaust gas, the engine is operating under a medium load (B2). The temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a can be increased, and therefore, the particulate filter 22a can be regenerated.
[0113]
Further, according to the present embodiment, when the second operation mode (FIG. 6B) giving priority to the regeneration of the particulate filter 22 a is selected and low-temperature combustion is being performed (FIG. 6B). 26B), when the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively, the air-fuel ratio is made lean in step 402 in FIG. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a is reduced, and the temperature of the particulate filter 22a can be prevented from excessively increasing. Further, the second operation mode (FIG. 6B) in which the priority is given to the regeneration of the particulate filter 22a is selected, the sub fuel injection is executed in step 304 of FIG. Is retarded (B2 in FIG. 6B), when the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively, the main fuel injection timing is advanced in step 405 in FIG. The auxiliary fuel injection is stopped. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a is reduced, and the temperature of the particulate filter 22a can be prevented from excessively increasing. Further, even when the second operation mode (FIG. 6B) in which the priority is given to the regeneration of the particulate filter 22a is selected and normal combustion is executed (B3 in FIG. 6B). When the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively, the fuel injection timing is advanced in step 404 in FIG. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a is reduced, and the temperature of the particulate filter 22a can be prevented from excessively increasing. That is, it is possible to prevent the temperature of the particulate filter 22a from being excessively increased during the regeneration of the particulate filter 22a, and to prevent the particulate filter 22a from being melted.
[0114]
Further, according to the above-described other embodiment, even when the second operation mode (FIG. 6B) in which the priority is given to the regeneration of the particulate filter 22a is selected, the particulate filter 22a is not used. When the first operating mode (FIG. 6 (A)) is selected when the temperature of the engine is likely to rise excessively, the first operating mode (FIG. 6 (A)) is prioritized to improve the fuel efficiency of the internal combustion engine. When the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a is relatively low, the combustion is interrupted. Therefore, it is possible to prevent the temperature of the particulate filter 22a from excessively rising during the regeneration of the particulate filter 22a, and to prevent the particulate filter 22a from being melted.
[0115]
Further, according to the present embodiment, whether the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively is determined in step 400 of FIG. 26 from the first operation mode (FIG. 6A) to the second operation mode (FIG. 6A). 6 (B)) is determined based on the elapsed time from when the switching to (B) was performed. Therefore, it is relatively easy to determine whether the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively without actually detecting the temperature of the particulate filter 22a.
[0116]
Further, according to the other embodiment described above, it is determined whether or not the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively, based on the exhaust gas temperature detected by the gas outlet temperature sensor 39b. Therefore, it is possible to relatively accurately determine whether or not the temperature of the particulate filter 22a is likely to rise excessively without actually detecting the temperature of the particulate filter 22a.
[0117]
Furthermore, according to the present embodiment, the storage reduction type NO having an oxidation function is provided upstream of the particulate filter 22a in the exhaust gas flow.XA catalyst 22b is provided. Therefore, the exhaust gas is oxidized when passing through the catalyst 22b, and the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a can be increased by the oxidizing heat, so that the temperature of the particulate filter 22a is relatively high. Temperature can be maintained. In addition, the SOF acting as a binder for the fine particles is oxidized by the catalyst 22b, and as a result, the fine particles can hardly be deposited on the particulate filter 22a.
[0118]
Further, according to the present embodiment, when it is estimated that a predetermined amount of fine particles has accumulated on the particulate filter 22a, YES is determined in step 100 of FIG. 7, and the first priority is given to improving the fuel efficiency of the internal combustion engine. Switching from the operation mode (FIG. 6 (A)) to the second operation mode (FIG. 6 (B)) giving priority to the regeneration of the particulate filter 22a is performed. Therefore, by continuing to execute step 102, it is possible to suppress the accumulation of fine particles on the particulate filter 22a more than necessary, and to prevent the fuel efficiency of the internal combustion engine from being deteriorated accordingly.
[0119]
Further, according to the present embodiment, the low-temperature combustion is executed during the low-load operation of the engine, so that the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22a is increased as compared with the case where the normal combustion is executed during the low-load operation of the engine. be able to. Therefore, the engine operation region where the particulate filter 22a can be regenerated can be expanded as compared with the case where the low-temperature combustion is not performed. Further, according to the present embodiment, since the catalyst 22b having a relatively large capacity and having an oxidizing function is arranged on the exhaust gas flow upstream side of the particulate filter 22a, the leveled high-temperature exhaust gas is supplied to the particulate filter 22a. Therefore, it is possible to suppress the temperature of the particulate filter 22a from being excessively increased locally.
[0120]
According to the present embodiment, the length of time during which the first operation mode (FIG. 6A) is selected and the length of time during which the second operation mode (FIG. 6B) is selected are described. By appropriately setting, when the first operation mode (FIG. 6A) is selected, the temperature of the particulate filter 22a is selected when the second operation mode (FIG. 6B) is selected along with excessive accumulation of soot. Can be suppressed from excessively rising, and the temperature of the particulate filter 22a decreases as the time during which the first operation mode (FIG. 6A) is selected is too long. And suppressing the temperature of the particulate filter 22a from excessively increasing due to too long a time in which the second operation mode (FIG. 6B) is selected. Can be.
[0121]
Further, according to the present embodiment, even when the first operation mode (FIG. 6A) is selected, the low-temperature combustion is performed during the low-load engine operation, so that the temperature of the particulate filter 22a is reduced. The decrease can be suppressed. Therefore, when the operation mode is switched to the second operation mode (FIG. 6B) after the first operation mode (FIG. 6A) is selected and the low-temperature combustion is being performed, the second operation mode (FIG. 6B) is selected. The time during which FIG. 6B is selected can be shortened.
[0122]
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), NO for removal of particulates by oxidationXIt is necessary to periodically or irregularly set the atmosphere in the vicinity of the storage reduction catalyst device to a rich air-fuel ratio. Iron or tin may be used instead of ceria.
[0123]
In the present embodiment, the particulate filter itself carries an oxygen storage / active oxygen releasing agent, and the particulates are oxidized and removed by the active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent. It is not intended to limit the invention. 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. . Also in this case, when the temperature of the particulate filter is increased, the temperature of the particulate filter itself is increased, and the particulate filter is easily oxidized and removed.
[0124]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the invention, it is possible to suppress the accumulation of fine particles on the particulate filter while improving the fuel efficiency of the internal combustion engine. More specifically, it is possible to suppress the accumulation of fine particles on the particulate filter more than necessary, and to prevent the fuel efficiency of the internal combustion engine from being deteriorated accordingly.In addition, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter is not even during the low load operation of the engine capable of performing low-temperature combustion and during the middle load operation of the engine that is not the high load operation of the engine capable of discharging high-temperature exhaust gas. Can be increased, and therefore the particulate filter can be regenerated.
[0125]
According to the second aspect of the present invention, unlike the conventional case, the fine particles are deposited on the particulate filter in a layered manner and then removed by emitting a bright flame. The active oxygen released by the oxygen storage / active oxygen releasing agent can oxidize and remove the fine particles without emitting a bright flame before being deposited on the laminate.
[0126]
According to the third aspect of the present invention, if the surrounding oxygen concentration is reduced due to the attachment of particulates or the like, the oxygen storage / active oxygen releasing agent naturally releases active oxygen to oxidize and remove the trapped fine particles. Can be.
[0127]
According to the fourth aspect of the present invention, the oxygen storage / active oxygen release agent contains NO in exhaust gas.XNO to occludeXCan be reduced to the atmosphere.
[0129]
Claim5 and 6According to the invention described in (1), the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter is reduced, and it is possible to avoid an excessive rise in the temperature of the particulate filter. That is, it is possible to prevent the temperature of the particulate filter from being excessively increased while the particulate filter is being regenerated, thereby preventing the particulate filter from being melted.
[0130]
Claim7According to the invention described in (1), it is possible to prevent the temperature of the particulate filter from excessively increasing during regeneration of the particulate filter, and to prevent the particulate filter from being melted.
[0131]
Claim8According to the invention described in (1), it is possible to relatively easily determine whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively without actually detecting the temperature of the particulate filter.
[0132]
Claim9According to the invention described in (1), it is possible to relatively accurately determine whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively without actually detecting the temperature of the particulate filter.
[0133]
Claim10According to the invention described in (1), the accumulation of fine particles on the particulate filter can be suppressed more than necessary, and the fuel consumption of the internal combustion engine can be prevented from deteriorating accordingly.
[0134]
Claim11According to the invention described in the above, the exhaust gas is oxidized when passing through the catalyst, the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter can be increased by the oxidation heat, the temperature of the particulate filter is reduced It can be maintained at a relatively high temperature. Also, the SOF acting as a binder for the fine particles is oxidized by the catalyst, and as a result, the fine particles can be hardly deposited on the particulate filter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment in which an exhaust gas purification device for an internal combustion engine of the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of a particulate filter 22a.
FIG. 3 is an enlarged view of a surface of a carrier layer formed on an inner peripheral surface of an exhaust gas inflow passage 50.
FIG. 4 is a view showing a state of oxidation of fine particles.
FIG. 5 is a graph showing an amount of oxidizable and removable fine particles G that can be oxidized and removed without emitting a bright flame per unit time.
FIG. 6 is a diagram illustrating a first operation mode in which priority is given to improving the fuel efficiency of the internal combustion engine and a second operation mode in which priority is given to regeneration of the particulate filter.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation control method according to the first embodiment.
FIG. 8 is a flowchart showing a subroutine executed in step 101 of FIG. 7;
FIG. 9 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in an engine low load operation region A1.
FIG. 10 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like in an engine low load operation region A1.
FIG. 11 is a diagram showing a combustion injection start timing in an engine low load operation region A1.
FIG. 12 is a diagram showing a map of a target fuel injection amount and the like in an engine high load operation region A2.
FIG. 13 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in an engine middle high load operation region A2.
FIG. 14 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like in an engine middle high load operation region A2.
FIG. 15: Smoke and NOXFIG.
FIG. 16 is a diagram showing a combustion pressure.
FIG. 17 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a generation amount of smoke and an EGR rate.
FIG. 19 is a diagram showing a relationship between an injected fuel amount and a mixed gas amount.
FIG. 20 is a diagram showing the opening of the throttle valve 17, the opening of the EGR control valve 25, the EGR rate, the air-fuel ratio, the injection timing, and the injection amount with respect to the required load L.
FIG. 21 is a flowchart showing a subroutine executed in step 102 of FIG. 7;
FIG. 22 is a flowchart showing a subroutine executed in step 102 of FIG. 7;
FIG. 23 is a diagram showing a map of a target main fuel injection amount and the like in an engine middle load operation region B2.
FIG. 24 is a diagram showing a map of a target auxiliary fuel injection amount and the like in an engine middle load operation region B2.
FIG. 25 is a diagram showing a map of a target air-fuel ratio and the like in an engine middle load operation region B2.
FIG. 26 is a flowchart showing a control method for suppressing the temperature of the particulate filter 22a from excessively increasing in the second operation mode.
FIG. 27 is a diagram showing a relationship between time and the temperature of the particulate filter 22a.
FIG. 28 is a diagram showing a relationship between time and the temperature of the particulate filter 22a.
[Explanation of symbols]
5. Combustion chamber
6 ... Fuel injection valve
20 ... exhaust pipe
22a ... Particulate filter
25 ... EGR control valve
61 ... Oxygen storage / active oxygen release agent

Claims (11)

機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置した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上では捕集微粒子が酸化させられ、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードと、前記パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを具備し、第一の運転モードと第二の運転モードとを必要に応じて切り換えるようにした内燃機関の排気浄化装置において、
前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、第一の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行され、第一の運転モードが選択されている時であって機関中高負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に低温燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時に副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角され、第二の運転モードが選択されている時であって機関高負荷運転時に通常燃焼が実行されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
In an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine in which a particulate filter for removing particulates in exhaust gas discharged from a combustion chamber is disposed in an engine exhaust passage, trapped particulates are oxidized on the particulate filter, and A first operation mode in which priority is given to improving the fuel efficiency of the engine, and a second operation mode in which priority is given to regenerating the particulate filter, the first operation mode and the second operation mode In an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, which is configured to switch between modes as needed ,
As the amount of inert gas supplied to the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and when the amount of inert gas supplied to the combustion chamber further increases, When the first operation mode is selected using an internal combustion engine in which the temperature of fuel and surrounding gas during combustion in the combustion chamber is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated. During the low-load operation, low-temperature combustion in which the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the generation amount of soot becomes a peak is performed and little soot is generated, and the first operation mode is performed. Normal combustion is performed in which the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas at which the amount of soot generated at the time of selection and during engine high load operation is peaked, and Operation mode is selected Low-temperature combustion is performed at the time of engine low-load operation, sub-fuel injection is performed at the time of engine middle-load operation when the second operation mode is selected, and the main fuel injection timing is retarded. An exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine , wherein normal combustion is performed when the second operation mode is selected and the engine is under a high load operation .
前記パティキュレートフィルタが酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持し、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤から放出された活性酸素が前記パティキュレートフィルタ上で捕集微粒子を酸化す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。The particulate filter carries an oxygen storage / active oxygen release agent, and active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen release agent oxidizes trapped fine particles on the particulate filter. 2. The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to claim 1. 前記酸素吸蔵・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り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。The oxygen storage / active oxygen releasing agent takes in oxygen when there is excess oxygen in the surroundings, retains oxygen, and releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. Item 3. An exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to item 2. 前記酸素吸蔵・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請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。The oxygen storage / active oxygen releasing agent binds and retains NO X with oxygen when excess oxygen is present in the surroundings, and converts the combined NO X and oxygen into NO X and active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the exhaust gas is decomposed and released. 第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時に、低温燃焼が実行されている場合には空燃比をリーン化し、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合には主燃料噴射時期を進角させ、通常燃焼が実行されている場合には燃料噴射時期を進角させるようにした請求項1から4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 When the second operation mode is selected and the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively, if low-temperature combustion is being performed, the air-fuel ratio is made lean, and auxiliary fuel injection is performed. The main fuel injection timing is advanced when the main fuel injection timing is retarded, and the fuel injection timing is advanced when normal combustion is performed. An exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of the above. 副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合に主燃料噴射時期を進角させる時には、副燃料噴射を中止するようにした請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。 6. The exhaust gas purification of an internal combustion engine according to claim 5, wherein the sub fuel injection is stopped when the main fuel injection timing is advanced when the sub fuel injection is executed and the main fuel injection timing is retarded. apparatus. 第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には、第一の運転モードが選択されている時に実行される燃焼を割り込み実行するようにした請求項1から4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 When the second operation mode is selected and the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively, the combustion executed when the first operation mode is selected is interrupted and executed. An exhaust purification device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4 . 前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定するようにした請求項5から7のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 The method according to claim 5, wherein whether the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively is determined based on an elapsed time from when switching from the first operation mode to the second operation mode is performed. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 7 to 13. 前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを排気ガス温度に基づいて判定するようにした請求項5から7のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 5 to 7, wherein it is determined whether or not the temperature of the particulate filter is likely to rise excessively based on the exhaust gas temperature . 前記パティキュレートフィルタに微粒子が所定量堆積したと推定された時に第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行うようにした請求項1 から9のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust system according to any one of claims 1 to 9, wherein switching from the first operation mode to the second operation mode is performed when it is estimated that a predetermined amount of fine particles has accumulated on the particulate filter. Purification device. 前記パティキュレートフィルタの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する触媒を配置した請求項1から10のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。 The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 10, wherein a catalyst having an oxidizing function is disposed on an upstream side of an exhaust gas flow of the particulate filter .
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