JP3573094B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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させるのは困難であり、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させるためには微粒子の着火温度を低くしなければならない。
【０００３】
ところで従来よりパティキュレートフィルタ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下できることが知られており、従って従来より微粒子の着火温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレートフィルタが公知である。例えば特公平７−１０６２９０号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたパティキュレートフィルタが開示されている。このパティキュレートフィルタではほぼ３５０℃から４００℃の比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関では負荷が高くなれば排気ガス温が３５０℃から４００℃に達し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火燃焼せしめることができるように見える。しかしながら実際には排気ガス温が３５０℃から４００℃に達しても微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
【０００５】
即ち、排気ガス中に含まれる微粒子量が少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が３５０℃から４００℃になるとパティキュレートフィルタ上の微粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。
しかしながら排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子は燃焼せしめられるが酸素と接触しずらい残りの微粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることになる。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けることになる。
【０００６】
一方、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積するとこれら堆積した微粒子は次第に着火燃焼しずらくなる。このように燃焼しずらくなるのはおそらく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しずらいグラフィイト等に変化するからであると考えられる。事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると３５０℃から４００℃の低温では堆積した微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるためには６００℃以上の高温が必要となる。しかしながらディーゼル機関では通常、排気ガス温が６００℃以上の高温になることがなく、従ってパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によって堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
【０００７】
一方、このとき排気ガス温を６００℃以上の高温にすることができたとすると堆積した微粒子は着火するがこの場合には別の問題を生ずる。即ち、この場合、堆積した微粒子は着火せしめられると輝炎を発して燃焼し、このときパティキュレートフィルタの温度は堆積した微粒子の燃焼が完了するまで長時間に亘り８００℃以上に維持される。しかしながらこのようにパティキュレートフィルタが長時間に亘り８００℃以上の高温にさらされるとパティキュレートフィルタが早期に劣化し、斯くしてパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【０００８】
また、堆積した微粒子が燃焼せしめられるとアッシュが凝縮して大きな塊まりとなり、これらアッシュの塊まりによってパティキュレートフィルタの細孔が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【０００９】
このように多量の微粒子が一旦積層状に堆積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、従って排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて多量の微粒子が積層状に堆積しないようにする必要がある。しかしながら上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスについては何ら考えておらず、斯くして上述したように種々の問題を生じることになる。
【００１０】
また、上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス温が３５０℃以下になると微粒子は着火されず、斯くしてパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積する。この場合、堆積量が少なければ排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が燃焼せしめられるが多量の微粒子が積層状に堆積すると排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が着火せず、たとえ着火したとしても一部の微粒子は燃焼しないために燃え残りが生じる。
【００１１】
この場合、多量の微粒子が積層状に堆積する前に排気ガス温を上昇させれば堆積した微粒子を燃え残ることなく燃焼せしめることができるが上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタではこのようなことは何ら考えておらず、斯くして多量の微粒子が積層状に堆積した場合には排気ガス温を６００℃以上に上昇させない限り、堆積した全微粒子を燃焼させることができない。
【００１２】
また、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯｘ を吸収し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘ を放出しかつ還元するＮＯｘ 吸収剤が公知である。このＮＯｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置すると空燃比がリーンのもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯｘ をＮＯｘ 吸収剤に吸収させることができる。
【００１３】
しかしながらこのＮＯｘ 吸収剤によるＮＯｘ の吸収作用はＮＯｘ 吸収剤により定まる一定温度範囲内でしか行われない。これはパティキュレートフィルタにＮＯｘ 吸収機能を持たせた場合でも同様である。従ってパティキュレートフィルタにＮＯｘ 吸収機能を持たせた場合にはパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積しないように維持すると同時にパティキュレートフィルタの温度をＮＯｘ 吸収作用の行われる温度範囲内に維持しなければならないことになる。
【００１４】
本発明の目的は新規な方法によって排気ガス中の微粒子およびＮＯｘ を同時に除去するようにした排気ガス浄化装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
１番目の発明では上記目的を達成するために、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として、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ x を放出するＮＯ x 吸収剤をパティキュレート上に担持し、通常は継続的に排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なくかつＮＯx 吸収率が一定値以上となる温度範囲内の微粒子ＮＯx 同時処理領域内に維持すると共にパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持して排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく酸化除去せしめると共に排気ガス中のＮＯ x をＮＯ x 吸収剤に吸収させ、ＮＯ x 吸収剤からＮＯ x を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を一時にリッチにし、通常は継続的に排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を微粒子ＮＯ x 同時処理領域内に維持するために排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方が微粒子ＮＯ x 同時処理領域外となったときには排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度が微粒子ＮＯ x 同時処理領域内となるように排出微粒子量、酸化除去可能微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一つを制御する制御手段を具備している。
【００１６】
２番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持している。
３番目の発明では２番目の発明において、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活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
【００１８】
４番目の発明では２番目の発明において、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活性酸素放出剤の機能と、ＮＯx 吸収剤の機能との双方の機能を有する活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤から活性酸素を放出させて放出された活性酸素によりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させ、通常はパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持して排気ガス中のＮＯx を活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤に吸収させ、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤からＮＯx を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を一時にリッチにする空燃比制御手段を具備している。
【００１９】
５番目の発明では４番目の発明において、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる。
６番目の発明では５番目の発明において、アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる。
７番目の発明では４番目の発明において、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタの温度をＳＯx 放出温度まで上昇させる温度上昇手段を具備している。
【００２０】
８番目の発明では７番目の発明において、温度上昇手段は、主燃料の噴射時期を遅角させるか又は主燃料に加え補助燃料を噴射させることによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させる。
９番目の発明では４番目の発明において、空燃比制御手段は、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出させる際にパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を交互にリーンとリッチに切換える。
【００２１】
１０番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃焼室内における平均空燃比をリッチにするか又は排気通路内に燃料を噴射するようにしている。
１１番目の発明では１０番目の発明において、機関が、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、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いときにパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃焼室内における平均空燃比をリッチにするようにしている。
【００２２】
１２番目の発明では１番目の発明において、酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温度の関数である。
１３番目の発明では１２番目の発明において、酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタの温度に加え、排気ガス中の酸素濃度又はＮＯx 濃度の少くとも一つの関数である。
【００２４】
１４番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御する。
１５番目の発明では１番目の発明において、機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、制御手段は、再循環排気ガス量を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御する。
【００２５】
１６番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に炭化水素供給装置を配置し、炭化水素供給装置から排気通路内に供給される炭化水素の量を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにしている。
１７番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に排気制御弁を配置し、排気制御弁の開度を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにしている。
【００２６】
１８番目の発明では１番目の発明において、排気タービンを迂回する排気ガス量を制御するためのウェストゲートバルブを備えた排気ターボチャージャを具備しており、ウェストゲートバルブの開度を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにしている。
１９番目の発明では１番目の発明において、排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方が微粒子ＮＯx 同時処理領域外になったときに排出微粒子量を制御すべきときには、制御手段は排出微粒子量を減少させる。
【００２７】
２０番目の発明では１９番目の発明において、制御手段は、燃料噴射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧又は補助燃料の噴射を制御することによって排出微粒子量を減少させる。
２１番目の発明では１９番目の発明において、吸入空気を過給するための過給手段を具備し、制御手段は、過給圧を増大させることによって排出微粒子量を減少させる。
【００２８】
２２番目の発明では１９番目の発明において、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、制御手段は、排気ガス再循環率を減少させることによって排出微粒子量を減少させる。
２３番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、排気ガス中の酸素濃度を制御することによって酸化除去可能微粒子量を制御する。
【００２９】
２４番目の発明では２３番目の発明において、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、制御手段は、排気ガス再循環率を制御することによって排気ガス中の酸素濃度を制御する。
２５番目の発明では２３番目の発明において、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給するための２次空気供給装置を具備し、制御手段は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給することによって排気ガス中の酸素濃度を制御する。
【００３０】
２６番目の発明では１番目の発明において、機関が、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、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い第１の燃焼と、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第２の燃焼とが選択的に行われる。
【００３１】
２７番目の発明では２６番目の発明において、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、不活性ガスが再循環排気ガスからなり、第１の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であり、第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５０パーセント以下である。
【００３２】
２８番目の発明では２６番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行うようにしている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。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は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して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に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管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２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【００３４】
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に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２６内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。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。
【００３５】
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および出力ポート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、パティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取付けられ、この温度センサ３９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。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、および燃料ポンプ２８に接続される。
【００３６】
図２（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を示している。なお、図２（Ａ）において各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求トルクが高くなる。図２（Ａ）に示される要求トルクＴＱは図２（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数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。本発明による実施例では図２（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【００３７】
図３にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図３において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２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３（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およ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およ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。
【００３８】
パティキュレートフィルタ２２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３（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。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には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、およ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活性酸素放出剤が担持されている。
【００３９】
この場合、本発明による実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、および遷移金属から選ばれた少くとも一つが用いられている。
【００４０】
なお、この場合活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
次にパティキュレートフィルタ２２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およびカリウム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。
【００４１】
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、燃焼室５および排気通路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ＳＯ２ となる。従って排気ガス中にはＳＯ２ が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ２ を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００４２】
図４（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面および隔壁５４内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図４（Ａ）および（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
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２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２ がＯ２ − 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Ｏ２ − 又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。次いで生成されたＮＯ２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。
【００４３】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ２ も含まれており、このＳＯ２ もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ２ がＯ２ − 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ＳＯ２ は白金Ｐｔの表面でＯ２ − 又はＯ２−と反応してＳＯ３ となる。次いで生成されたＳＯ３ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ３ および硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ が生成される。
【００４４】
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２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図４（Ｂ）において６２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００４５】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ３ 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と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００４６】
一方、このときパティキュレートフィルタ２２の温度が高ければ活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ２ とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ２ が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２ は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００４７】
一方、微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ３ や硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ 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の酸化作用が促進され、微粒子６２は数分から数１０分の短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられる。このように微粒子６２が酸化せしめられている間に他の微粒子が次から次へとパティキュレートフィルタ２２に付着する。従って実際にはパティキュレートフィルタ２２上には或る程度の量の微粒子が常時堆積しており、この堆積している微粒子のうちの一部の微粒子が酸化除去せしめられることになる。このようにしてパティキュレートフィルタ２２上に付着した微粒子６２が輝炎を発することなく連続燃焼せしめられる。
なお、ＮＯｘ は酸素原子の結合および分離を繰返しつつ活性酸素放出剤６１内において硝酸イオンＮＯ３ −の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。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、このようにパティキュレートフィルタ２２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。
【００４８】
パティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２２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な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２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００４９】
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、このときパティキュレートフィルタ２２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燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００５０】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２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は微粒子自身の温度が高いほど酸化除去されやすくなる。従ってパティキュレートフィルタ２２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２２の温度が高くなるほど増大する。
【００５１】
図６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６の横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。なお、図６は単位時間を１秒とした場合の、即ち１秒当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りの酸化除去可能微粒子量Ｇは１０分間当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２２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Ｇは図６に示されるようにパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
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が同じ単位時間当りに酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、例えば１秒当りの排出微粒子量Ｍが１秒当りの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、或いは１０分当りの排出微粒子量Ｍが１０分当りの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、即ち図６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２２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。
【００５２】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、即ち図６の領域ＩＩでは全ての微粒子を順次酸化するには活性酸素量が不足している。図５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
即ち、全ての微粒子を順次酸化するには活性酸素量が不足している場合には図５（Ａ）に示すように微粒子６２が活性酸素放出剤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５（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。
【００５３】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。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，ＳＯ２ の酸化作用および活性酸素放出剤６１からの活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図５（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は白金Ｐｔや活性酸素放出剤６１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、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２２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２２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。
【００５４】
このように図６の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２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６の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２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２２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よりも少くしておく必要がある。
【００５５】
図６からわかるように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２２ではパティキュレートフィルタ２２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およびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持することが可能である。従って本発明による実施例においては排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するようにしている。
【００５６】
このように排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するとパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積しなくなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。
【００５７】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温でもって行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００５８】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によって生ずる。即ち、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ＳＯ３ が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ４ を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ 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ＣａＳＯ４ が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００５９】
しかしながらこの場合、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を用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ３ はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を形成し、カルシウムＣａはＳＯ３ と結合することなくパティキュレートフィルタ２２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２２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。
【００６０】
さて、本発明による実施例では基本的に全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持することを意図している。しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２２の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の場合を除いて通常継続的に排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにしている。
【００６１】
なお、機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。しかしながらこのように酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめているときに、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少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。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の運転状態のときには、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなったとき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２２上に積層しないように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが維持される。
【００６２】
また、このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを維持するようにしていたとしても何らかの理由によりパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合であっても排気ガスの一部又は全体の空燃比が一時的にリッチにされるとパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化せしめられる。即ち、排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、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が輝炎を発することなく短時間で酸化除去せしめられる。
一方、空燃比がリーンに維持されていると白金Ｐｔの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ｐｔの酸素被毒が生ずる。このような酸素被毒が生ずるとＮＯｘ に対する酸化作用が低下するためにＮＯｘ の吸収効率が低下し、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Ｐｔ表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比がリッチからリーンに切換えられるとＮＯｘ に対する酸化作用が強まるためにＮＯｘ の吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。
従って空燃比がリーンに維持されているときに空燃比を時折リーンからリッチに切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とき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２２上における微粒子の酸化作用を促進することができる。
【００６３】
さて、図６においては酸化除去可能微粒子量Ｇがパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦのみの関数として示されているがこの酸化除去可能微粒子量Ｇは実際には排気ガス中の酸素濃度、排気ガス中のＮＯｘ 濃度、排気ガス中の未燃ＨＣ濃度、微粒子の酸化のしやすさの程度、パティキュレートフィルタ２２内における排気ガス流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもある。従って酸化除去可能微粒子量Ｇはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを含む上述の全ての因子の影響を考慮に入れて算出することが好ましい。
【００６４】
しかしながらこれら因子のうちで酸化除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるのはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦであり、比較的大きな影響を与えるのは排気ガス中の酸素濃度とＮＯｘ 濃度である。図７（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦおよび排気ガス中の酸素が変化したときの酸化除去可能微粒子量Ｇの変化を示しており、図７（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦおよび排気ガス中のＮＯｘ 濃度が変化したときの酸化除去可能微粒子量Ｇの変化を示している。なお、図７（Ａ），（Ｂ）において破線は排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度が基準値であるときを示しており、図７（Ａ）において〔Ｏ２ 〕１ は基準値よりも排気ガス中の酸素濃度が高いとき、〔Ｏ２ 〕２ は〔Ｏ２ 〕１ よりも更に酸化濃度が高いときを夫々示しており、図７（Ｂ）において〔ＮＯ〕１ は基準値よりも排気ガス中のＮＯｘ 濃度が高いとき、〔ＮＯ〕２ は〔ＮＯ〕１ よりも更にＮＯｘ 濃度が高いときを夫々示している。
【００６５】
排気ガス中の酸素濃度が高くなるとそれだけでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが更に活性酸素放出剤６１内に取込まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素も増大する。従って図７（Ａ）に示されるように排気ガス中の酸素濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大する。一方、排気ガス中のＮＯは前述したように白金Ｐｔの表面上において酸化されてＮＯ２ となる。このようにして生成されたＮＯ２ の一部は活性酸素放出剤６１内に吸収され、残りのＮＯ２ は白金Ｐｔの表面から外部に離脱する。このとき微粒子はＮＯ２ と接触すると酸化反応が促進され、従って図７（Ｂ）に示されるように排気ガス中のＮＯｘ 濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大する。ただし、このＮＯ２ による微粒子の酸化促進作用は排気ガス温がほぼ２５０℃からほぼ４５０℃の間でしか生じないので図７（Ｂ）に示されるように排気ガス中のＮＯｘ 濃度が高くなるとパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがほぼ２５０℃から４５０℃の間のときに酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【００６６】
前述したように酸化除去可能微粒子量Ｇは酸化除去可能微粒子量Ｇに影響を与える全ての因子を考慮に入れて算出することが好ましい。しかしながら本発明による実施例ではこれら因子のうちで酸化除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦと、比較的大きな影響を与える排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度のみに基づいて酸化除去可能微粒子量Ｇを算出するようにしている。
【００６７】
即ち、本発明による実施例では図８の（Ａ）から（Ｆ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２の各温度ＴＦ（２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃）における酸化除去可能微粒子量Ｇが夫々排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕と排気ガス中のＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、各パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦ、酸化濃度〔Ｏ２ 〕およびＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕に応じた酸化除去可能微粒子量Ｇが図８の（Ａ）から（Ｆ）に示されるマップから比例配分により算出される。
【００６８】
なお、排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕およびＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕は酸素濃度センサおよびＮＯｘ 濃度センサを用いて検出することができる。しかしながら本発明による実施例では排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕が要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、排気ガス中のＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕も要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、これらのマップから排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕およびＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕が算出される。
【００６９】
一方、排出微粒子量Ｍは機関の型式によって変化するが機関の型式が定まると要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数となる。図１０（Ａ）は図１に示される内燃機関の排出微粒子量Ｍを示しており、各曲線Ｍ１ ，Ｍ２ ，Ｍ３ ，Ｍ４ ，Ｍ５ は等排出微粒子量（Ｍ１ ＜Ｍ２ ＜Ｍ３ ＜Ｍ４ ＜Ｍ５ ）を示している。図１０（Ａ）に示される例では要求トルクＴＱが高くなるほど排出微粒子量Ｍが増大する。なお、図１０（Ａ）に示される排出微粒子量Ｍは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１０（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００７０】
さて、前述したように本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２２の各隔壁５４の両側面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には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および活性酸素放出剤が担持されている。更に本発明による実施例ではこの担体上に貴金属触媒、およびパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘ を吸収しパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘ を放出するＮＯｘ 吸収剤が担持されている。
【００７１】
本発明による実施例ではこの貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウム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、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つが用いられている。なお、前述した活性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるようにＮＯｘ 吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成する金属とは大部分が一致している。
【００７２】
この場合、ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになる。
次に貴金属触媒として白金Ｐｔを用い、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＮＯｘ の吸放出作用について説明する。
【００７３】
まず初めにＮＯｘ の吸収作用について検討するとＮＯｘ は図４（Ａ）に示すメカニズムと同じメカニズムでもってＮＯｘ 吸収剤に吸収される。ただし、この場合図４（Ａ）において符号６１はＮＯｘ 吸収剤を示す。
即ち、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に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２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２ がＯ２ − 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Ｏ２ − 又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。次いで生成されたＮＯ２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯｘ 吸収剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形でＮＯｘ 吸収剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。このようにしてＮＯがＮＯｘ 吸収剤６１内に吸収される。
【００７４】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスがリッチになると硝酸イオンＮＯ３ − は酸素とＯとＮＯに分解され、次から次へとＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。従ってパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると短時間のうちにＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出され、しかもこの放出されたＮＯが還元されるために大気中にＮＯが排出されることはない。
【００７５】
なお、この場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。しかしながらこの場合にはＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが徐々にしか放出されないためにＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されている全ＮＯｘ を放出させるには若干長い時間を要する。
ところで前述したようにＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることができる。しかしながら本発明による実施例ではＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いている。この場合には前述したようにＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになり、このように双方の機能を同時に果すものを以下、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤と称する。従って本発明による実施例では図４（Ａ）における符号６１は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤を示している。
【００７６】
このような活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１を用いた場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に付着するとこの微粒子は排気ガス中に含まれる活性酸素および活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から放出される活性酸素によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。従ってこのとき排気ガス中の微粒子およびＮＯｘ の双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【００７７】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。このＮＯは未燃ＨＣ，ＣＯにより還元され、斯くしてこのときにもＮＯが大気中に排出されることがない。また、このときパティキュレートフィルタ２２上に堆積している微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【００７８】
ところで図６を参照しつつ既に説明したように活性酸素放出剤６１からの活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２２の温度がかなり低いときから開始される。これは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１を用いたときでも同じである。これに対してＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１へのＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが活性酸素の放出開始温度よりも高くならないと開始されない。これは、活性酸素の放出は例えば硝酸カリウムＫＮＯ３ から酸素を奪えれば生ずるのに対してＮＯｘ の吸収作用は白金Ｐｔが活性化しないと開始されないからであると考えられる。
【００７９】
図１１はＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてカリウムＫを用いた場合の酸化除去可能微粒子量ＧとＮＯｘ 吸収率とを示している。図１１から活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが２００℃以下から開始されるのに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが２００℃以上にならないと開始されないことがわかる。
【００８０】
一方、活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなれば高くなるほど活発になる。これに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなると消失する。即ち、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが一定温度、図１１に示す例ではほぼ５００℃を越えると硝酸イオンＮＯ３ − 又は硝酸カリウムＫＮＯ３ が熱分解し、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。このような状態になるとＮＯｘ の吸収量よりもＮＯの放出量が多くなり、斯くして図１１に示されるようにＮＯｘ 吸収率が低下する。
【００８１】
図１１はＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてカリウムＫを用いた場合のＮＯｘ 吸収率を示している。この場合、用いる金属によってＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２２の温度範囲は異なる。例えばＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてバリウムＢａを用いた場合にはＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２２の温度範囲は図１１に示されるカリウムＫを用いた場合よりも狭くなる。
【００８２】
ところで前述したように排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２２上において積層状に堆積させることなく酸化除去せしめるためには排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくする必要がある。しかしながら単に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇより少くしただけではＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１によるＮＯｘ 吸収作用は行われず、ＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１によるＮＯｘ の吸収作用を確保するにはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをＮＯｘ の吸収作用が行われる温度範囲内に維持する必要がある。この場合、ＮＯｘ 吸収作用が行われるパティキュレートフィルタ２２の温度範囲はＮＯｘ 吸収率が一定値以上、例えば５０パーセント以上となる温度範囲とする必要があり、従ってＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてカリウムＫを用いた場合には図１１からわかるようにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをほぼ２５０℃から５００℃の間に維持する必要がある。
【００８３】
従って、本発明による実施例では排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２２上において積層状に堆積させることなく酸化除去せしめ、かつ排気ガス中のＮＯｘ を吸収するために、通常は継続的に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持しかつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをパティキュレートフィルタ２２のＮＯｘ 吸収率が一定値以上となる温度範囲内に維持するようにしている。即ち、排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを図１１のハッチングで示す微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしている。
【００８４】
ところでこのように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度を微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしておいても排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外にずれてしまう場合がある。このような場合、本発明による実施例では排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内となるように排出微粒子量Ｍ、酸化除去可能微粒子量Ｇ又はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦの少くとも一つを制御するようにしている。次にこのことについて図１２を参照しつつ説明する。
【００８５】
まず初めに排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１２に示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外のＡ点になった場合、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなり、かつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の下限温度よりも低くなった場合について説明する。この場合には矢印で示すようにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。
【００８６】
次に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１２に示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外のＢ点になった場合、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなり、かつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の温度範囲内にある場合について説明する。この場合には矢印で示すように排出微粒子量Ｍを低下させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。
【００８７】
次に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１２に示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外のＣ点になった場合、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなり、かつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の上限温度よりも高くなった場合について説明する。この場合には矢印で示すように排出微粒子量Ｍを低下させかつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。
【００８８】
このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外となったときには排出微粒子量Ｍを低下させるか、又はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇或いは低下させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。なお、別の方法として、酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させることによっても排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度を微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻すことができる。そこで次に排出微粒子量Ｍを低下させる方法、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇或いは下降させる方法、および酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させる方法について説明する。
【００８９】
パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上死点以後まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑｍ は図１３において（Ｉ）に示されるように圧縮上死点付近で噴射される。この場合、図１３の（ＩＩ）に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射時期が遅角されると後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気ガス温が高くなるとそれに伴ってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇する。この場合、燃料噴射時期の遅角量を少なくすればパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【００９０】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１３の（ＩＩＩ）に示されるように主燃料Ｑｍ に加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑｖ を噴射することもできる。このように補助燃料Ｑｖ を追加的に噴射すると補助燃料Ｑｖ 分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇する。
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑｖ を噴射すると圧縮行程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑｖ からアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑｍ の反応が加速される。従ってこの場合には図１３の（ＩＩＩ）に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Ｑｍ の噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス温はかなり高くなり、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをすみやかに上昇させることができる。この場合、補助燃料Ｑｖ の噴射を停止するか或いは補助燃料Ｑｖ の噴射量を減少させて主燃料Ｑｍ の噴射時期の遅角量を少なくすればパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【００９１】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１３の（ＩＶ）に示されるように主燃料Ｑｍ に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Ｑｐ を噴射することもできる。即ち、この場合、大部分の補助燃料Ｑｐ は燃焼することなく未燃ＨＣの形で排気通路内に排出される。この未燃ＨＣはパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。この場合、補助燃料Ｑｐ の噴射量を減少させればパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【００９２】
次に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを制御するために低温燃焼を用いる方法について説明する。
図１に示される内燃機関ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下する。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示す図１４を参照しつつ説明する。なお、図１４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。
【００９３】
図１４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スモーク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スモークがほとんど発生しなくなる。一方、図１４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スモーク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スモークがほとんど発生しなくなる。また、図１４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スモーク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スモークがほとんど発生しなくなる。
【００９４】
このようにＥＧＲガス率を５５パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつＮＯｘ の発生量を低減することができるという特徴を有する。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、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときＮＯｘ も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、ＮＯｘ も極めて少量しか発生しない。
【００９５】
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。このことについて図１５（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。
図１５（Ａ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示しており、図１５（Ａ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示している。また、図１５（Ｂ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示しており、図１５（Ｂ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示している。
【００９６】
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてＥＧＲガス量が多く、従って図１５（Ａ）に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮工程中は実線で示す低温燃焼時における平均ガス温Ｔｇのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガス温Ｔｇよりも高くなっている。なお、このとき図１５（Ｂ）に示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは平均ガス温Ｔｇとほぼ同じ温度になっている。
【００９７】
次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図１５（Ｂ）の実線で示されるようにＥＧＲガスの吸熱作用により燃料およびその周囲のガス温Ｔｆはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図１５（Ｂ）の破線で示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合の方が低くなっており、従って図１５（Ａ）に示されるように圧縮上死点付近における燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図１５（Ａ）に示されるように燃焼が完了した後の燃焼室５内の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガス温が高くなる。
【００９８】
このように低温燃焼が行われるとスモークの発生量、即ち排出微粒子量Ｍが少なくなり、排気ガス温が上昇する。従って機関運転中に通常の燃焼から低温燃焼に切換えると排出微粒子量Ｍを減少させ、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させることができる。これに対し、低温燃焼から通常の燃焼に切換えるとパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは低下する。ただし、このとき排出微粒子量Ｍは増大する。いずれにしても通常の燃焼と低温燃焼とを切換えることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度を制御することができる。
【００９９】
ところで機関の要求トルクＴＱが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図１６において領域Ｉ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５の不活性ガス量が多い第１の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域ＩＩ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第２の燃焼、即ち通常の燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。
【０１００】
図１７は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の目標空燃比Ａ／Ｆを示しており、図１８は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の要求トルクＴＱに応じたスロットル弁１７の開度、ＥＧＲ制御弁２５の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射開始時期θＳ、噴射完了時期θＥ、噴射量を示している。なお、図１８には運転領域ＩＩにおいて行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁１７の開度等も合わせて示している。
【０１０１】
図１７および図１８から運転領域Ｉにおいて低温燃焼が行われているときにはＥＧＲ率が５５パーセント以上とされ、空燃比Ａ／Ｆが１５．５から１８程度のリーン空燃比とされることがわかる。なお、前述したように運転領域Ｉにおいて低温燃焼が行われているときには空燃比をリッチにしてもスモークはほとんど発生しない。
【０１０２】
次にパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１９はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１９を参照するとこの内燃機関では排気管２０内に炭化水素供給装置７０が配置されており、必要に応じてこの炭化水素供給装置７０から排気管２０内に炭化水素が供給される。炭化水素が供給されるとこの炭化水素はパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化せしめられ、このときの酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。この場合、炭化水素の供給量を減少させることによってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。なお、この炭化水素供給装置７０はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこに配置してもよい。
【０１０３】
次にパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図２０はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図２０を参照するとこの内燃機関ではパティキュレートフィルタ２２下流の排気管７１内にアクチュエータ７２により駆動される排気制御弁７３が配置されている。
【０１０４】
この方法ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇すべきときに排気制御弁７３がほぼ全閉とされ、排気制御弁７３をほぼ全閉にすることによる機関出力トルクの低下を阻止するために主燃料Ｑｍ の噴射量が増大せしめられる。排気制御弁７３をほぼ全閉にすると排気制御弁７３上流の排気通路内の圧力、即ち背圧が上昇する。背圧が上昇すると燃焼室５内から排気ガスが排気ポート１０内に排出されるときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って温度もさほど低下しなくなる。しかもこのとき主燃料Ｑｍ の噴射量が増大せしめられているので燃焼室５内の既燃ガス温が高くなっており、従って排気ポート１０内に排出された排気ガスの温度はかなり高くなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２の温度が急速に上昇せしめられる。
【０１０５】
この場合、排気制御弁７３の開度を増大し、主燃料Ｑｍ の噴射量を減少させることによってパティキュレートフィルタ２２の温度を低下させることができる。次にパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図２１はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図２１を参照するとこの内燃機関では排気タービン２１を迂回する排気バイパス通路７４内にアクチュエータ７５により制御されるウェストゲートバルブ７６が配置されている。このアクチュエータ７５は通常サージタンク１２内の圧力、即ち過給圧に応動して過給圧が一定圧以上にならないようにウェストゲートバルブ７６の開度を制御している。
【０１０６】
この方法ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇すべきときにウェストゲートバルブ７６が全開せしめられる。排気ガスは排気タービン２１を通過すると温度低下するがウェストゲートバルブ７６を全開にすると大部分の排気ガスは排気バイパス通路７４内を流れるために温度低下しなくなる。斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度が上昇することになる。この場合、ウェストゲートバルブ７６の開度を小さくすることによってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【０１０７】
次に排出微粒子量Ｍを低下させる方法について説明する。即ち、噴射燃料と空気とが十分に混合すればするほど、即ち、噴射燃料周りの空気量が多くなればなるほど噴射燃料は良好に燃焼せしめられるので微粒子は発生しなくなる。従って排出微粒子量Ｍを低下させるには噴射燃料と空気とがより一層十分に混合するようにしてやればよいことになる。ただし、噴射燃料と空気との混合をよくすると燃焼が活発になるためにＮＯｘ の発生量が増大する。従って排出微粒子量Ｍを低下させる方法は、別の言い方をするとＮＯｘ の発生量を増大させる方法と言える。
【０１０８】
いずれにしても排出微粒子量ＰＭを低下させる方法も種々の方法があり、従ってこれら方法について順次説明する。
排出微粒子量ＰＭを低下させる方法として前述した低温燃焼を用いることもできるがその他の有効な方法としては燃料噴射を制御する方法が挙げられる。例えば燃料噴射量を低下させると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。
【０１０９】
また、噴射時期を進角すると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、コモンレール２７内の燃料圧、即ち噴射圧を高めると噴射燃料が分散するので噴射燃料と空気との混合が良好となり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、主燃料Ｑｍ の噴射直前の圧縮行程末期に補助燃料を噴射するようにしている場合、いわゆるパイロット噴射を行っている場合には補助燃料の燃焼により酸素が消費されるために主燃料Ｑｍ 周りの空気が不十分となる。従ってこの場合にはパイロット噴射を停止することによって排出微粒子量Ｍが低減する。
【０１１０】
即ち、燃料噴射を制御することによって排出微粒子量Ｍを低減するようにした場合には燃料噴射量が低下せしめられるか、又は燃料噴射時期が進角されるか、又は噴射圧が高められるか、又はパイロット噴射が停止される。
次に排出微粒子量Ｍを低減するための別の方法について説明する。この方法では排出微粒子量Ｍを低減すべきときにはＥＧＲ率を低下させるためにＥＧＲ制御弁２５の開度が低下せしめられる。ＥＧＲ率が低下すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。
【０１１１】
次に排出微粒子量Ｍを低減するための更に別の方法について説明する。この方法では排出微粒子量Ｍを低減すべきときには過給圧を増大するためにウェストゲートバルブ７６（図２１）の開度が減少せしめられる。過給圧が増大すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。
次に酸化除去可能微粒子量Ｇを増大するために排気ガス中の酸素濃度を増大させる方法について説明する。排気ガス中の酸素濃度が増大するとそれだけでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが更に活性酸素放出剤６１内に取込まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素量が増大し、斯くして酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【０１１２】
この方法を実行するための方法としてはＥＧＲ率を制御する方法が挙げられる。即ち、酸化除去可能微粒子量Ｇを増大すべきときにはＥＧＲ率が低下するようにＥＧＲ制御弁２５の開度が減少せしめられる。ＥＧＲ率が低下するということは吸入空気中における吸入空気量の割合が増大することを意味しており、斯くしてＥＧＲ率が低下すると排気ガス中の酸素濃度が上昇する。その結果、酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。また、ＥＧＲ率が低下すると前述したように排出微粒子量Ｍが減少する。従ってＥＧＲ率が低下すると排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも急速に小さくなる。
【０１１３】
次に排気ガス中の酸素濃度を増大させるために２次空気を用いる方法について説明する。図２２に示す例では排気タービン２１とパティキュレートフィルタ２２との間の排気管７７が２次空気供給導管７８を介して吸気ダクト１３に連結され、２次空気供給導管７８内に供給制御弁７９が配置される。また、図２３に示す例では２次空気供給導管７８が機関駆動のエアポンプ８０に連結されている。なお、排気通路内への２次空気の供給位置はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこでもよい。
【０１１４】
図２２又は図２３に示す内燃機関においては排気ガス中の酸素濃度を増大すべきときには供給制御弁７９が開弁せしめられる。このとき、２次空気供給導管７８から排気管７７に２次空気が供給され、斯くして排気ガス中の酸素濃度が増大せしめられる。
さて、前述したように排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯｘ が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１内に吸収される。しかしながらＮＯｘ 吸収剤６１のＮＯｘ 吸収能力には限度があり、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１のＮＯｘ 吸収能力が飽和する前に活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出させる必要がある。そのためには活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されているＮＯｘ 量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では単位時間当りのＮＯｘ 吸収量Ａを要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２４に示すようなマップの形で予め求めておき、この単位時間当りのＮＯｘ 吸収量Ａを積算することによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されているＮＯｘ 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【０１１５】
また、本発明による実施例ではこのＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値ＭＡＸＮを越えたときに活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤２５からＮＯｘ を放出させるようにしている。
ところで排気ガス中にはＳＯｘ が含まれており、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１にはＮＯｘ ばかりでなくＳＯｘ も吸収される。この活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１へのＳＯｘ の吸収メカニズムはＮＯｘ の吸収メカニズムと同じであると考えられる。
【０１１６】
即ち、ＮＯｘ の吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫを担持させた場合を例にとって説明すると、前述したように排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ２ がＯ２ − 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ＳＯ２ は白金Ｐｔの表面でＯ２ − 又はＯ２−と反応してＳＯ３ となる。次いで生成されたＳＯ３ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤内に吸収され、カリウムＫと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４ ２− の形で活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ を生成する。
【０１１７】
しかしながらこの硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ は安定していて分解しづらく、前述したように活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出すべく排気ガスの空燃比をリッチにしても硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ は分解されずにそのまま残る。従って活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１内には時間が経過するにつれて硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれて活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１が吸収しうるＮＯｘ 量が低下することになる。
【０１１８】
ところがこの硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１により定まる一定温度、例えばほぼ６００℃を越えると分解し、このとき活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ が放出される。ただし、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させるには活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出させる場合に比べてかなり長い時間を要する。
【０１１９】
そこで本発明による実施例では活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出すべきときには空燃比がリーンで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ない状態に維持しつつ活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させ、次いで活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比を交互にリッチとリーンに切換えながら活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させるようにしている。
【０１２０】
この場合、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させる方法は種々の方法が存在する。本発明による実施例では図１３の（ＩＩＩ ）に示されるように補助燃料ＱＶ を噴射すると共に主燃料Ｑｍ の噴射時期を遅らすか、或いは図１３（ＩＶ）に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射後に補助燃料Ｑｐ を噴射することによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させるようにしている。
【０１２１】
また、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させるときには空燃比がリーンで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ない状態に維持される。従ってこのときパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積していたとしてもこの堆積微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦがほぼ６００℃まで上昇せしめられる間に酸化除去せしめられる。
【０１２２】
一方、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ 又はＳＯｘ を放出するために活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする方法についても種々の方法が存在する。例えば低温燃焼を行いうる場合には低温燃焼下で燃焼室５内における空燃比をリッチにすることによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。
【０１２３】
また、図１３の（ＩＶ） に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射後に補助燃料Ｑｐ を噴射し、この補助燃料Ｑｐ の量を増大することによっても活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。更に図１９に示されるように排気管２０内に炭化水素供給装置７０を配置し、この炭化水素供給装置７０から炭化水素を噴射してこの炭化水素により活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。
【０１２４】
また、前述したように排気ガスの空燃比がリッチにされると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から活性酸素が一気に放出され、それによってパティキュレートフィルタ２２上に堆積している微粒子が急速に酸化せしめられる。しかしながらその後も排気ガスの空燃比がリッチにされ続けると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１内には酸素が蓄積されず、しかも排気ガス中にもほとんど酸素が存在しないために微粒子は酸化せしめられることなくパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積せしめられることになる。
【０１２５】
そこで本発明による実施例では長い時間に亘って空燃比をリッチにする必要があるＳＯｘ の放出時には上述したように活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比を交互にリッチとリーンに切換えるようにしている。このようにすると排気ガスの空燃比がリーンになったときに排気ガス中の活性酸素又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ２２上の微粒子は酸化除去せしめられ、斯くしてパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積するのを阻止することができる。
【０１２６】
図２５（Ａ）は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させる際に燃焼室５内に供給される燃料量を制御することによって排気ガスの空燃比を交互にリーンとリッチに切換えるようにした場合を示しており、図２５（Ｂ）は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させる際に排気管２０内に供給される炭化水素の量を制御することによって排気ガスの空燃比を交互にリーンとリッチに切換えるようにした場合を示している。
【０１２７】
次に図２６を参照しつつ活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出すべきときにセットされるＮＯｘ 放出フラグおよび活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出すべきときにセットされるＳＯｘ 放出フラグの処理ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
【０１２８】
図２６を参照するとまず初めにステップ１００において図２４に示すマップから単位時間当りのＮＯｘ 吸収量Ａが算出される。次いでステップ１０１ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ１０２ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸＮを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸＮになるとステップ１０３に進み、ＮＯｘ を放出すべきことを示すＮＯｘ 放出フラグがセットされる。次いでステップ１０４に進む。
【０１２９】
ステップ１０４では噴射量Ｑに定数ｋを乗算した積ｋ・ＱがΣＳＯＸに加算される。燃料中にはほぼ一定量の硫黄Ｓが含まれており、従って活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されるＳＯｘ 量はｋ・Ｑで表わすことができる。従ってこのｋ・Ｑを順次積算することによって得られるΣＳＯＸは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されていると推定されるＳＯｘ 量を表わしている。ステップ１０５ではこのＳＯｘ 量ΣＳＯＸが許容最大値ＭＡＸＳを越えたか否かが判別され、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸＳになるとステップ１０６に進んでＳＯｘ 放出フラグがセットされる。
【０１３０】
次に図２７および図２８を参照しつつ運転制御について説明する。
図２７および図２８を参照すると、まず初めにステップ２００においてＳＯｘ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＳＯｘ 放出フラグがセットされていないときにはステップ２０１に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１１のハッチングで示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の下限温度Ｔｍｉｎ 、例えば２５０℃よりも低いか否かが判別される。ＴＦ＜Ｔｍｉｎ のときにはステップ２０２に進んで前述したパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２０７に進む。
【０１３１】
一方、ステップ２０１においてＴＦ≧Ｔｍｉｎ であると判断されたときにはステップ２０３に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１１のハッチングで示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の上限温度Ｔｍａｘ 、例えば５００℃よりも高いか否かが判別される。ＴＦ＞Ｔｍａｘ のときにはステップ２０４に進んで前述したパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２０７に進む。
【０１３２】
一方、ステップ２０３においてＴＦ≦Ｔｍａｘ であると判断されたときにはステップ２０５に進んで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いか否かが判別される。Ｍ＞Ｇのときにはステップ２０６に進んで前述した排出微粒子量Ｍを低下させるためのいずれかの方法、又は酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２０７に進む。
【０１３３】
一方、ステップ２０５においてＭ≦Ｇであると判断されたときにはステップ２０７に進む。ステップ２０７ではＮＯｘ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯｘ 放出フラグがセットされていないときにはステップ２０８に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２０９においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２１０では燃料の噴射制御が行われる。
【０１３４】
これに対し、ステップ２０７においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２１１に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２１２においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２１３ではＮＯｘ を放出するために前述した排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするためのいずれかの方法が実行され、ＮＯｘ 放出フラグがリセットされる。
【０１３５】
一方、ステップ２００においてＳＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２１４に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがＳＯｘ を放出しうる温度、例えば６００℃以上か否かが判別される。ＴＦ≦６００℃のときにはステップ２１５に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２１６においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。
【０１３６】
次いでステップ２１７では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いか否かが判別される。Ｍ＞Ｇのときにはステップ２１８に進んで前述した排出微粒子量Ｍを低下させるためのいずれかの方法、又は酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２１９ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させるための前述したいずれかの方法が実行される。
【０１３７】
一方、ステップ２１４においてＴＦ＞６００℃であると判断されたときにはステップ２２０に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２２１においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２２２では排気ガスの空燃比を交互にリッチとリーンに切換えることにより活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させるためのＳＯｘ 放出制御が行われる。
【０１３８】
次いでステップ２２３ではＳＯｘ 量ΣＳＯＸからＳＯｘ 放出量ΔＳＯｘ が減算される。このＳＯｘ 放出量ΔＳＯｘ は一定値とすることもできるし、機関運転状態に応じて変化させることもできる。次いでステップ２２４ではＳＯｘ 量ΣＳＯＸが負になったか否かが判別される。ΣＳＯＸ＜０になったときにはステップ２２５に進んでＮＯｘ 放出フラグおよびＳＯｘ 放出フラグがリセットされる。
【０１３９】
ところで一般的に云って内燃機関では機関低負荷運転時には排気ガス温が低く、従って酸化除去可能微粒子量Ｇを排出微粒子量Ｍより多くすることが困難な場合がある。しかしながら前述した低温燃焼を行うと排出微粒子量Ｍが極めて少なく、また排気ガス温が高いためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなり、斯くして機関低負荷運転時であっても容易に酸化除去可能微粒子量Ｇを排出微粒子量Ｍよりも多くすることができる。従って低温燃焼は本発明における排気ガス浄化装置に対して極めて適していると言える。
【０１４０】
ただし、前述したようにこの低温燃焼は図１６に示される低負荷側の運転領域Ｉ内でしか行えず、高負荷側の運転領域ＩＩでは行えない。従って低温燃焼を行うようにした場合においても機関の運転状態が図１６の運転領域Ｉ内にあるときにのみ低温燃焼が行われ、機関の運転状態が境界Ｘ（Ｎ）を越えて運転領域ＩＩに移行したときには低温燃焼から通常の燃焼に切換えられる。即ち、運転領域Ｉにおいては低温燃焼が行われ、運転領域ＩＩにおいては通常の燃焼が行われる。
【０１４１】
なお本発明は、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してこの酸化触媒により排気ガス中のＮＯをＮＯ２ に変換し、このＮＯ２ とパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子とを反応させてこのＮＯ２ によっても微粒子を酸化するようにした排気ガス浄化装置にも適用できる。
【０１４２】
【発明の効果】
排気ガス中のＮＯｘ を良好に浄化しつつ排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において連続的に酸化除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】機関の要求トルクを示す図である。
【図３】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図４】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図５】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図６】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図７】酸化除去可能微粒子量を示す図である。
【図８】酸化除去可能微粒子量Ｇのマップを示す図である。
【図９】排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度のマップを示す図である。
【図１０】排出微粒子量を示す図である。
【図１１】微粒子ＮＯｘ 同時処理領域を示す図である。
【図１２】微粒子の酸化除去方法を説明するための図である。
【図１３】噴射制御を説明するための図である。
【図１４】スモークの発生量を示す図である。
【図１５】燃焼室内のガス温等を示す図である。
【図１６】運転領域Ｉ，ＩＩを示す図である。
【図１７】空燃比Ａ／Ｆを示す図である。
【図１８】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【図１９】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図２０】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２１】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２２】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２３】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２４】ＮＯｘ 吸収量Ａのマップを示す図である。
【図２５】ＳＯｘ 放出時の空燃比制御を示す図である。
【図２６】ＮＯｘ 放出フラグおよびＳＯｘ 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図２７】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２８】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２２…パティキュレートフィルタ
２５…ＥＧＲ制御弁
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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させるのは困難であり、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させるためには微粒子の着火温度を低くしなければならない。
【０００３】
ところで従来よりパティキュレートフィルタ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下できることが知られており、従って従来より微粒子の着火温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレートフィルタが公知である。例えば特公平７−１０６２９０号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたパティキュレートフィルタが開示されている。このパティキュレートフィルタではほぼ３５０℃から４００℃の比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関では負荷が高くなれば排気ガス温が３５０℃から４００℃に達し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火燃焼せしめることができるように見える。しかしながら実際には排気ガス温が３５０℃から４００℃に達しても微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
【０００５】
即ち、排気ガス中に含まれる微粒子量が少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が３５０℃から４００℃になるとパティキュレートフィルタ上の微粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。
しかしながら排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子は燃焼せしめられるが酸素と接触しずらい残りの微粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることになる。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けることになる。
【０００６】
一方、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積するとこれら堆積した微粒子は次第に着火燃焼しずらくなる。このように燃焼しずらくなるのはおそらく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しずらいグラフィイト等に変化するからであると考えられる。事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると３５０℃から４００℃の低温では堆積した微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるためには６００℃以上の高温が必要となる。しかしながらディーゼル機関では通常、排気ガス温が６００℃以上の高温になることがなく、従ってパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によって堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
【０００７】
一方、このとき排気ガス温を６００℃以上の高温にすることができたとすると堆積した微粒子は着火するがこの場合には別の問題を生ずる。即ち、この場合、堆積した微粒子は着火せしめられると輝炎を発して燃焼し、このときパティキュレートフィルタの温度は堆積した微粒子の燃焼が完了するまで長時間に亘り８００℃以上に維持される。しかしながらこのようにパティキュレートフィルタが長時間に亘り８００℃以上の高温にさらされるとパティキュレートフィルタが早期に劣化し、斯くしてパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【０００８】
また、堆積した微粒子が燃焼せしめられるとアッシュが凝縮して大きな塊まりとなり、これらアッシュの塊まりによってパティキュレートフィルタの細孔が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【０００９】
このように多量の微粒子が一旦積層状に堆積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、従って排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて多量の微粒子が積層状に堆積しないようにする必要がある。しかしながら上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスについては何ら考えておらず、斯くして上述したように種々の問題を生じることになる。
【００１０】
また、上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス温が３５０℃以下になると微粒子は着火されず、斯くしてパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積する。この場合、堆積量が少なければ排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が燃焼せしめられるが多量の微粒子が積層状に堆積すると排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が着火せず、たとえ着火したとしても一部の微粒子は燃焼しないために燃え残りが生じる。
【００１１】
この場合、多量の微粒子が積層状に堆積する前に排気ガス温を上昇させれば堆積した微粒子を燃え残ることなく燃焼せしめることができるが上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタではこのようなことは何ら考えておらず、斯くして多量の微粒子が積層状に堆積した場合には排気ガス温を６００℃以上に上昇させない限り、堆積した全微粒子を燃焼させることができない。
【００１２】
また、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯｘ を吸収し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘ を放出しかつ還元するＮＯｘ 吸収剤が公知である。このＮＯｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置すると空燃比がリーンのもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯｘ をＮＯｘ 吸収剤に吸収させることができる。
【００１３】
しかしながらこのＮＯｘ 吸収剤によるＮＯｘ の吸収作用はＮＯｘ 吸収剤により定まる一定温度範囲内でしか行われない。これはパティキュレートフィルタにＮＯｘ 吸収機能を持たせた場合でも同様である。従ってパティキュレートフィルタにＮＯｘ 吸収機能を持たせた場合にはパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積しないように維持すると同時にパティキュレートフィルタの温度をＮＯｘ 吸収作用の行われる温度範囲内に維持しなければならないことになる。
【００１４】
本発明の目的は新規な方法によって排気ガス中の微粒子およびＮＯｘ を同時に除去するようにした排気ガス浄化装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
１番目の発明では上記目的を達成するために、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として、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ x を放出するＮＯ x 吸収剤をパティキュレート上に担持し、通常は継続的に排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なくかつＮＯx 吸収率が一定値以上となる温度範囲内の微粒子ＮＯx 同時処理領域内に維持すると共にパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持して排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく酸化除去せしめると共に排気ガス中のＮＯ x をＮＯ x 吸収剤に吸収させ、ＮＯ x 吸収剤からＮＯ x を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を一時にリッチにし、通常は継続的に排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を微粒子ＮＯ x 同時処理領域内に維持するために排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方が微粒子ＮＯ x 同時処理領域外となったときには排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度が微粒子ＮＯ x 同時処理領域内となるように排出微粒子量、酸化除去可能微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一つを制御する制御手段を具備している。
【００１６】
２番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持している。
３番目の発明では２番目の発明において、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活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
【００１８】
４番目の発明では２番目の発明において、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活性酸素放出剤の機能と、ＮＯx 吸収剤の機能との双方の機能を有する活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤から活性酸素を放出させて放出された活性酸素によりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させ、通常はパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持して排気ガス中のＮＯx を活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤に吸収させ、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤からＮＯx を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を一時にリッチにする空燃比制御手段を具備している。
【００１９】
５番目の発明では４番目の発明において、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる。
６番目の発明では５番目の発明において、アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる。
７番目の発明では４番目の発明において、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタの温度をＳＯx 放出温度まで上昇させる温度上昇手段を具備している。
【００２０】
８番目の発明では７番目の発明において、温度上昇手段は、主燃料の噴射時期を遅角させるか又は主燃料に加え補助燃料を噴射させることによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させる。
９番目の発明では４番目の発明において、空燃比制御手段は、活性酸素放出・ＮＯx 吸収剤からＳＯx を放出させる際にパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を交互にリーンとリッチに切換える。
【００２１】
１０番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃焼室内における平均空燃比をリッチにするか又は排気通路内に燃料を噴射するようにしている。
１１番目の発明では１０番目の発明において、機関が、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、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いときにパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃焼室内における平均空燃比をリッチにするようにしている。
【００２２】
１２番目の発明では１番目の発明において、酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温度の関数である。
１３番目の発明では１２番目の発明において、酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタの温度に加え、排気ガス中の酸素濃度又はＮＯx 濃度の少くとも一つの関数である。
【００２４】
１４番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御する。
１５番目の発明では１番目の発明において、機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、制御手段は、再循環排気ガス量を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御する。
【００２５】
１６番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に炭化水素供給装置を配置し、炭化水素供給装置から排気通路内に供給される炭化水素の量を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにしている。
１７番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に排気制御弁を配置し、排気制御弁の開度を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにしている。
【００２６】
１８番目の発明では１番目の発明において、排気タービンを迂回する排気ガス量を制御するためのウェストゲートバルブを備えた排気ターボチャージャを具備しており、ウェストゲートバルブの開度を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにしている。
１９番目の発明では１番目の発明において、排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方が微粒子ＮＯx 同時処理領域外になったときに排出微粒子量を制御すべきときには、制御手段は排出微粒子量を減少させる。
【００２７】
２０番目の発明では１９番目の発明において、制御手段は、燃料噴射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧又は補助燃料の噴射を制御することによって排出微粒子量を減少させる。
２１番目の発明では１９番目の発明において、吸入空気を過給するための過給手段を具備し、制御手段は、過給圧を増大させることによって排出微粒子量を減少させる。
【００２８】
２２番目の発明では１９番目の発明において、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、制御手段は、排気ガス再循環率を減少させることによって排出微粒子量を減少させる。
２３番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、排気ガス中の酸素濃度を制御することによって酸化除去可能微粒子量を制御する。
【００２９】
２４番目の発明では２３番目の発明において、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、制御手段は、排気ガス再循環率を制御することによって排気ガス中の酸素濃度を制御する。
２５番目の発明では２３番目の発明において、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給するための２次空気供給装置を具備し、制御手段は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給することによって排気ガス中の酸素濃度を制御する。
【００３０】
２６番目の発明では１番目の発明において、機関が、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、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い第１の燃焼と、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第２の燃焼とが選択的に行われる。
【００３１】
２７番目の発明では２６番目の発明において、燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、不活性ガスが再循環排気ガスからなり、第１の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であり、第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５０パーセント以下である。
【００３２】
２８番目の発明では２６番目の発明において、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行うようにしている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。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は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して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に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管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２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【００３４】
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に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２６内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。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。
【００３５】
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および出力ポート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、パティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取付けられ、この温度センサ３９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。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、および燃料ポンプ２８に接続される。
【００３６】
図２（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を示している。なお、図２（Ａ）において各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求トルクが高くなる。図２（Ａ）に示される要求トルクＴＱは図２（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数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。本発明による実施例では図２（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【００３７】
図３にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図３において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２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３（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およ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およ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。
【００３８】
パティキュレートフィルタ２２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３（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。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には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、およ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活性酸素放出剤が担持されている。
【００３９】
この場合、本発明による実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、および遷移金属から選ばれた少くとも一つが用いられている。
【００４０】
なお、この場合活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
次にパティキュレートフィルタ２２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およびカリウム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。
【００４１】
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、燃焼室５および排気通路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ＳＯ２ となる。従って排気ガス中にはＳＯ２ が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ２ を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００４２】
図４（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面および隔壁５４内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図４（Ａ）および（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
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２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２ がＯ２ − 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Ｏ２ − 又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。次いで生成されたＮＯ２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。
【００４３】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ２ も含まれており、このＳＯ２ もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ２ がＯ２ − 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ＳＯ２ は白金Ｐｔの表面でＯ２ − 又はＯ２−と反応してＳＯ３ となる。次いで生成されたＳＯ３ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ３ および硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ が生成される。
【００４４】
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２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図４（Ｂ）において６２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００４５】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ３ 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と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００４６】
一方、このときパティキュレートフィルタ２２の温度が高ければ活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ２ とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ２ が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２ は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００４７】
一方、微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ３ や硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ 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の酸化作用が促進され、微粒子６２は数分から数１０分の短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられる。このように微粒子６２が酸化せしめられている間に他の微粒子が次から次へとパティキュレートフィルタ２２に付着する。従って実際にはパティキュレートフィルタ２２上には或る程度の量の微粒子が常時堆積しており、この堆積している微粒子のうちの一部の微粒子が酸化除去せしめられることになる。このようにしてパティキュレートフィルタ２２上に付着した微粒子６２が輝炎を発することなく連続燃焼せしめられる。
なお、ＮＯｘ は酸素原子の結合および分離を繰返しつつ活性酸素放出剤６１内において硝酸イオンＮＯ３ −の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。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、このようにパティキュレートフィルタ２２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。
【００４８】
パティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２２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な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２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００４９】
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、このときパティキュレートフィルタ２２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燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００５０】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２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は微粒子自身の温度が高いほど酸化除去されやすくなる。従ってパティキュレートフィルタ２２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２２の温度が高くなるほど増大する。
【００５１】
図６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６の横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。なお、図６は単位時間を１秒とした場合の、即ち１秒当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りの酸化除去可能微粒子量Ｇは１０分間当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２２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Ｇは図６に示されるようにパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
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が同じ単位時間当りに酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、例えば１秒当りの排出微粒子量Ｍが１秒当りの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、或いは１０分当りの排出微粒子量Ｍが１０分当りの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、即ち図６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２２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。
【００５２】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、即ち図６の領域ＩＩでは全ての微粒子を順次酸化するには活性酸素量が不足している。図５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
即ち、全ての微粒子を順次酸化するには活性酸素量が不足している場合には図５（Ａ）に示すように微粒子６２が活性酸素放出剤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５（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。
【００５３】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。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，ＳＯ２ の酸化作用および活性酸素放出剤６１からの活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図５（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は白金Ｐｔや活性酸素放出剤６１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、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２２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２２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。
【００５４】
このように図６の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２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６の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２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２２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よりも少くしておく必要がある。
【００５５】
図６からわかるように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２２ではパティキュレートフィルタ２２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およびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持することが可能である。従って本発明による実施例においては排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するようにしている。
【００５６】
このように排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなるように維持するとパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積しなくなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。
【００５７】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温でもって行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００５８】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によって生ずる。即ち、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ＳＯ３ が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ４ を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ 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ＣａＳＯ４ が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ４ によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００５９】
しかしながらこの場合、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を用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ３ はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ を形成し、カルシウムＣａはＳＯ３ と結合することなくパティキュレートフィルタ２２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２２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。
【００６０】
さて、本発明による実施例では基本的に全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持することを意図している。しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２２の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の場合を除いて通常継続的に排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにしている。
【００６１】
なお、機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。しかしながらこのように酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめているときに、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少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。従って本発明による実施例では機関始動直後のような特別の運転状態のときには、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなったとき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２２上に積層しないように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが維持される。
【００６２】
また、このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを維持するようにしていたとしても何らかの理由によりパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合であっても排気ガスの一部又は全体の空燃比が一時的にリッチにされるとパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化せしめられる。即ち、排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、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が輝炎を発することなく短時間で酸化除去せしめられる。
一方、空燃比がリーンに維持されていると白金Ｐｔの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ｐｔの酸素被毒が生ずる。このような酸素被毒が生ずるとＮＯｘ に対する酸化作用が低下するためにＮＯｘ の吸収効率が低下し、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Ｐｔ表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比がリッチからリーンに切換えられるとＮＯｘ に対する酸化作用が強まるためにＮＯｘ の吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。
従って空燃比がリーンに維持されているときに空燃比を時折リーンからリッチに切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とき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２２上における微粒子の酸化作用を促進することができる。
【００６３】
さて、図６においては酸化除去可能微粒子量Ｇがパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦのみの関数として示されているがこの酸化除去可能微粒子量Ｇは実際には排気ガス中の酸素濃度、排気ガス中のＮＯｘ 濃度、排気ガス中の未燃ＨＣ濃度、微粒子の酸化のしやすさの程度、パティキュレートフィルタ２２内における排気ガス流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもある。従って酸化除去可能微粒子量Ｇはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを含む上述の全ての因子の影響を考慮に入れて算出することが好ましい。
【００６４】
しかしながらこれら因子のうちで酸化除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるのはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦであり、比較的大きな影響を与えるのは排気ガス中の酸素濃度とＮＯｘ 濃度である。図７（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦおよび排気ガス中の酸素が変化したときの酸化除去可能微粒子量Ｇの変化を示しており、図７（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦおよび排気ガス中のＮＯｘ 濃度が変化したときの酸化除去可能微粒子量Ｇの変化を示している。なお、図７（Ａ），（Ｂ）において破線は排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度が基準値であるときを示しており、図７（Ａ）において〔Ｏ２ 〕１ は基準値よりも排気ガス中の酸素濃度が高いとき、〔Ｏ２ 〕２ は〔Ｏ２ 〕１ よりも更に酸化濃度が高いときを夫々示しており、図７（Ｂ）において〔ＮＯ〕１ は基準値よりも排気ガス中のＮＯｘ 濃度が高いとき、〔ＮＯ〕２ は〔ＮＯ〕１ よりも更にＮＯｘ 濃度が高いときを夫々示している。
【００６５】
排気ガス中の酸素濃度が高くなるとそれだけでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが更に活性酸素放出剤６１内に取込まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素も増大する。従って図７（Ａ）に示されるように排気ガス中の酸素濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大する。一方、排気ガス中のＮＯは前述したように白金Ｐｔの表面上において酸化されてＮＯ２ となる。このようにして生成されたＮＯ２ の一部は活性酸素放出剤６１内に吸収され、残りのＮＯ２ は白金Ｐｔの表面から外部に離脱する。このとき微粒子はＮＯ２ と接触すると酸化反応が促進され、従って図７（Ｂ）に示されるように排気ガス中のＮＯｘ 濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大する。ただし、このＮＯ２ による微粒子の酸化促進作用は排気ガス温がほぼ２５０℃からほぼ４５０℃の間でしか生じないので図７（Ｂ）に示されるように排気ガス中のＮＯｘ 濃度が高くなるとパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがほぼ２５０℃から４５０℃の間のときに酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【００６６】
前述したように酸化除去可能微粒子量Ｇは酸化除去可能微粒子量Ｇに影響を与える全ての因子を考慮に入れて算出することが好ましい。しかしながら本発明による実施例ではこれら因子のうちで酸化除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦと、比較的大きな影響を与える排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度のみに基づいて酸化除去可能微粒子量Ｇを算出するようにしている。
【００６７】
即ち、本発明による実施例では図８の（Ａ）から（Ｆ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２の各温度ＴＦ（２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃）における酸化除去可能微粒子量Ｇが夫々排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕と排気ガス中のＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、各パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦ、酸化濃度〔Ｏ２ 〕およびＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕に応じた酸化除去可能微粒子量Ｇが図８の（Ａ）から（Ｆ）に示されるマップから比例配分により算出される。
【００６８】
なお、排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕およびＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕は酸素濃度センサおよびＮＯｘ 濃度センサを用いて検出することができる。しかしながら本発明による実施例では排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕が要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、排気ガス中のＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕も要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、これらのマップから排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ２ 〕およびＮＯｘ 濃度〔ＮＯ〕が算出される。
【００６９】
一方、排出微粒子量Ｍは機関の型式によって変化するが機関の型式が定まると要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数となる。図１０（Ａ）は図１に示される内燃機関の排出微粒子量Ｍを示しており、各曲線Ｍ１ ，Ｍ２ ，Ｍ３ ，Ｍ４ ，Ｍ５ は等排出微粒子量（Ｍ１ ＜Ｍ２ ＜Ｍ３ ＜Ｍ４ ＜Ｍ５ ）を示している。図１０（Ａ）に示される例では要求トルクＴＱが高くなるほど排出微粒子量Ｍが増大する。なお、図１０（Ａ）に示される排出微粒子量Ｍは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１０（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００７０】
さて、前述したように本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２２の各隔壁５４の両側面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には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および活性酸素放出剤が担持されている。更に本発明による実施例ではこの担体上に貴金属触媒、およびパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘ を吸収しパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯｘ を放出するＮＯｘ 吸収剤が担持されている。
【００７１】
本発明による実施例ではこの貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウム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、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つが用いられている。なお、前述した活性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるようにＮＯｘ 吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成する金属とは大部分が一致している。
【００７２】
この場合、ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。ＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになる。
次に貴金属触媒として白金Ｐｔを用い、ＮＯｘ 吸収剤としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＮＯｘ の吸放出作用について説明する。
【００７３】
まず初めにＮＯｘ の吸収作用について検討するとＮＯｘ は図４（Ａ）に示すメカニズムと同じメカニズムでもってＮＯｘ 吸収剤に吸収される。ただし、この場合図４（Ａ）において符号６１はＮＯｘ 吸収剤を示す。
即ち、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に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２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２ がＯ２ − 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Ｏ２ − 又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。次いで生成されたＮＯ２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯｘ 吸収剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ − の形でＮＯｘ 吸収剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ３ − は硝酸カリウムＫＮＯ３ を生成する。このようにしてＮＯがＮＯｘ 吸収剤６１内に吸収される。
【００７４】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスがリッチになると硝酸イオンＮＯ３ − は酸素とＯとＮＯに分解され、次から次へとＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。従ってパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると短時間のうちにＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出され、しかもこの放出されたＮＯが還元されるために大気中にＮＯが排出されることはない。
【００７５】
なお、この場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。しかしながらこの場合にはＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが徐々にしか放出されないためにＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されている全ＮＯｘ を放出させるには若干長い時間を要する。
ところで前述したようにＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることができる。しかしながら本発明による実施例ではＮＯｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いている。この場合には前述したようにＮＯｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになり、このように双方の機能を同時に果すものを以下、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤と称する。従って本発明による実施例では図４（Ａ）における符号６１は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤を示している。
【００７６】
このような活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１を用いた場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に付着するとこの微粒子は排気ガス中に含まれる活性酸素および活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から放出される活性酸素によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。従ってこのとき排気ガス中の微粒子およびＮＯｘ の双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【００７７】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。このＮＯは未燃ＨＣ，ＣＯにより還元され、斯くしてこのときにもＮＯが大気中に排出されることがない。また、このときパティキュレートフィルタ２２上に堆積している微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【００７８】
ところで図６を参照しつつ既に説明したように活性酸素放出剤６１からの活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２２の温度がかなり低いときから開始される。これは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１を用いたときでも同じである。これに対してＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１へのＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが活性酸素の放出開始温度よりも高くならないと開始されない。これは、活性酸素の放出は例えば硝酸カリウムＫＮＯ３ から酸素を奪えれば生ずるのに対してＮＯｘ の吸収作用は白金Ｐｔが活性化しないと開始されないからであると考えられる。
【００７９】
図１１はＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてカリウムＫを用いた場合の酸化除去可能微粒子量ＧとＮＯｘ 吸収率とを示している。図１１から活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが２００℃以下から開始されるのに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが２００℃以上にならないと開始されないことがわかる。
【００８０】
一方、活性酸素の放出作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなれば高くなるほど活発になる。これに対してＮＯｘ の吸収作用はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなると消失する。即ち、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが一定温度、図１１に示す例ではほぼ５００℃を越えると硝酸イオンＮＯ３ − 又は硝酸カリウムＫＮＯ３ が熱分解し、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。このような状態になるとＮＯｘ の吸収量よりもＮＯの放出量が多くなり、斯くして図１１に示されるようにＮＯｘ 吸収率が低下する。
【００８１】
図１１はＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてカリウムＫを用いた場合のＮＯｘ 吸収率を示している。この場合、用いる金属によってＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２２の温度範囲は異なる。例えばＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてバリウムＢａを用いた場合にはＮＯｘ 吸収率の高くなるパティキュレートフィルタ２２の温度範囲は図１１に示されるカリウムＫを用いた場合よりも狭くなる。
【００８２】
ところで前述したように排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２２上において積層状に堆積させることなく酸化除去せしめるためには排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくする必要がある。しかしながら単に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇより少くしただけではＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１によるＮＯｘ 吸収作用は行われず、ＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１によるＮＯｘ の吸収作用を確保するにはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをＮＯｘ の吸収作用が行われる温度範囲内に維持する必要がある。この場合、ＮＯｘ 吸収作用が行われるパティキュレートフィルタ２２の温度範囲はＮＯｘ 吸収率が一定値以上、例えば５０パーセント以上となる温度範囲とする必要があり、従ってＮＯｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１としてカリウムＫを用いた場合には図１１からわかるようにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをほぼ２５０℃から５００℃の間に維持する必要がある。
【００８３】
従って、本発明による実施例では排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ２２上において積層状に堆積させることなく酸化除去せしめ、かつ排気ガス中のＮＯｘ を吸収するために、通常は継続的に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持しかつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをパティキュレートフィルタ２２のＮＯｘ 吸収率が一定値以上となる温度範囲内に維持するようにしている。即ち、排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを図１１のハッチングで示す微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしている。
【００８４】
ところでこのように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度を微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に維持するようにしておいても排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外にずれてしまう場合がある。このような場合、本発明による実施例では排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内となるように排出微粒子量Ｍ、酸化除去可能微粒子量Ｇ又はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦの少くとも一つを制御するようにしている。次にこのことについて図１２を参照しつつ説明する。
【００８５】
まず初めに排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１２に示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外のＡ点になった場合、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなり、かつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の下限温度よりも低くなった場合について説明する。この場合には矢印で示すようにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。
【００８６】
次に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１２に示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外のＢ点になった場合、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなり、かつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の温度範囲内にある場合について説明する。この場合には矢印で示すように排出微粒子量Ｍを低下させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。
【００８７】
次に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１２に示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外のＣ点になった場合、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなり、かつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の上限温度よりも高くなった場合について説明する。この場合には矢印で示すように排出微粒子量Ｍを低下させかつパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。
【００８８】
このように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域外となったときには排出微粒子量Ｍを低下させるか、又はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇或いは低下させることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻される。なお、別の方法として、酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させることによっても排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度を微粒子ＮＯｘ 同時処理領域内に戻すことができる。そこで次に排出微粒子量Ｍを低下させる方法、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇或いは下降させる方法、および酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させる方法について説明する。
【００８９】
パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上死点以後まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑｍ は図１３において（Ｉ）に示されるように圧縮上死点付近で噴射される。この場合、図１３の（ＩＩ）に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射時期が遅角されると後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気ガス温が高くなるとそれに伴ってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇する。この場合、燃料噴射時期の遅角量を少なくすればパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【００９０】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１３の（ＩＩＩ）に示されるように主燃料Ｑｍ に加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑｖ を噴射することもできる。このように補助燃料Ｑｖ を追加的に噴射すると補助燃料Ｑｖ 分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇する。
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑｖ を噴射すると圧縮行程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑｖ からアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑｍ の反応が加速される。従ってこの場合には図１３の（ＩＩＩ）に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Ｑｍ の噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス温はかなり高くなり、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをすみやかに上昇させることができる。この場合、補助燃料Ｑｖ の噴射を停止するか或いは補助燃料Ｑｖ の噴射量を減少させて主燃料Ｑｍ の噴射時期の遅角量を少なくすればパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【００９１】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１３の（ＩＶ）に示されるように主燃料Ｑｍ に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Ｑｐ を噴射することもできる。即ち、この場合、大部分の補助燃料Ｑｐ は燃焼することなく未燃ＨＣの形で排気通路内に排出される。この未燃ＨＣはパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。この場合、補助燃料Ｑｐ の噴射量を減少させればパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【００９２】
次に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを制御するために低温燃焼を用いる方法について説明する。
図１に示される内燃機関ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下する。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示す図１４を参照しつつ説明する。なお、図１４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。
【００９３】
図１４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スモーク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スモークがほとんど発生しなくなる。一方、図１４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スモーク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スモークがほとんど発生しなくなる。また、図１４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スモーク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スモークがほとんど発生しなくなる。
【００９４】
このようにＥＧＲガス率を５５パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつＮＯｘ の発生量を低減することができるという特徴を有する。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、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときＮＯｘ も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、ＮＯｘ も極めて少量しか発生しない。
【００９５】
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。このことについて図１５（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。
図１５（Ａ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示しており、図１５（Ａ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示している。また、図１５（Ｂ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示しており、図１５（Ｂ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示している。
【００９６】
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてＥＧＲガス量が多く、従って図１５（Ａ）に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮工程中は実線で示す低温燃焼時における平均ガス温Ｔｇのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガス温Ｔｇよりも高くなっている。なお、このとき図１５（Ｂ）に示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは平均ガス温Ｔｇとほぼ同じ温度になっている。
【００９７】
次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図１５（Ｂ）の実線で示されるようにＥＧＲガスの吸熱作用により燃料およびその周囲のガス温Ｔｆはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図１５（Ｂ）の破線で示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合の方が低くなっており、従って図１５（Ａ）に示されるように圧縮上死点付近における燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図１５（Ａ）に示されるように燃焼が完了した後の燃焼室５内の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガス温が高くなる。
【００９８】
このように低温燃焼が行われるとスモークの発生量、即ち排出微粒子量Ｍが少なくなり、排気ガス温が上昇する。従って機関運転中に通常の燃焼から低温燃焼に切換えると排出微粒子量Ｍを減少させ、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させることができる。これに対し、低温燃焼から通常の燃焼に切換えるとパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは低下する。ただし、このとき排出微粒子量Ｍは増大する。いずれにしても通常の燃焼と低温燃焼とを切換えることによって排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度を制御することができる。
【００９９】
ところで機関の要求トルクＴＱが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図１６において領域Ｉ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５の不活性ガス量が多い第１の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域ＩＩ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第２の燃焼、即ち通常の燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。
【０１００】
図１７は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の目標空燃比Ａ／Ｆを示しており、図１８は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の要求トルクＴＱに応じたスロットル弁１７の開度、ＥＧＲ制御弁２５の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射開始時期θＳ、噴射完了時期θＥ、噴射量を示している。なお、図１８には運転領域ＩＩにおいて行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁１７の開度等も合わせて示している。
【０１０１】
図１７および図１８から運転領域Ｉにおいて低温燃焼が行われているときにはＥＧＲ率が５５パーセント以上とされ、空燃比Ａ／Ｆが１５．５から１８程度のリーン空燃比とされることがわかる。なお、前述したように運転領域Ｉにおいて低温燃焼が行われているときには空燃比をリッチにしてもスモークはほとんど発生しない。
【０１０２】
次にパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１９はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１９を参照するとこの内燃機関では排気管２０内に炭化水素供給装置７０が配置されており、必要に応じてこの炭化水素供給装置７０から排気管２０内に炭化水素が供給される。炭化水素が供給されるとこの炭化水素はパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化せしめられ、このときの酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。この場合、炭化水素の供給量を減少させることによってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。なお、この炭化水素供給装置７０はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこに配置してもよい。
【０１０３】
次にパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図２０はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図２０を参照するとこの内燃機関ではパティキュレートフィルタ２２下流の排気管７１内にアクチュエータ７２により駆動される排気制御弁７３が配置されている。
【０１０４】
この方法ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇すべきときに排気制御弁７３がほぼ全閉とされ、排気制御弁７３をほぼ全閉にすることによる機関出力トルクの低下を阻止するために主燃料Ｑｍ の噴射量が増大せしめられる。排気制御弁７３をほぼ全閉にすると排気制御弁７３上流の排気通路内の圧力、即ち背圧が上昇する。背圧が上昇すると燃焼室５内から排気ガスが排気ポート１０内に排出されるときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って温度もさほど低下しなくなる。しかもこのとき主燃料Ｑｍ の噴射量が増大せしめられているので燃焼室５内の既燃ガス温が高くなっており、従って排気ポート１０内に排出された排気ガスの温度はかなり高くなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２の温度が急速に上昇せしめられる。
【０１０５】
この場合、排気制御弁７３の開度を増大し、主燃料Ｑｍ の噴射量を減少させることによってパティキュレートフィルタ２２の温度を低下させることができる。次にパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図２１はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図２１を参照するとこの内燃機関では排気タービン２１を迂回する排気バイパス通路７４内にアクチュエータ７５により制御されるウェストゲートバルブ７６が配置されている。このアクチュエータ７５は通常サージタンク１２内の圧力、即ち過給圧に応動して過給圧が一定圧以上にならないようにウェストゲートバルブ７６の開度を制御している。
【０１０６】
この方法ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇すべきときにウェストゲートバルブ７６が全開せしめられる。排気ガスは排気タービン２１を通過すると温度低下するがウェストゲートバルブ７６を全開にすると大部分の排気ガスは排気バイパス通路７４内を流れるために温度低下しなくなる。斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度が上昇することになる。この場合、ウェストゲートバルブ７６の開度を小さくすることによってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させることができる。
【０１０７】
次に排出微粒子量Ｍを低下させる方法について説明する。即ち、噴射燃料と空気とが十分に混合すればするほど、即ち、噴射燃料周りの空気量が多くなればなるほど噴射燃料は良好に燃焼せしめられるので微粒子は発生しなくなる。従って排出微粒子量Ｍを低下させるには噴射燃料と空気とがより一層十分に混合するようにしてやればよいことになる。ただし、噴射燃料と空気との混合をよくすると燃焼が活発になるためにＮＯｘ の発生量が増大する。従って排出微粒子量Ｍを低下させる方法は、別の言い方をするとＮＯｘ の発生量を増大させる方法と言える。
【０１０８】
いずれにしても排出微粒子量ＰＭを低下させる方法も種々の方法があり、従ってこれら方法について順次説明する。
排出微粒子量ＰＭを低下させる方法として前述した低温燃焼を用いることもできるがその他の有効な方法としては燃料噴射を制御する方法が挙げられる。例えば燃料噴射量を低下させると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。
【０１０９】
また、噴射時期を進角すると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、コモンレール２７内の燃料圧、即ち噴射圧を高めると噴射燃料が分散するので噴射燃料と空気との混合が良好となり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、主燃料Ｑｍ の噴射直前の圧縮行程末期に補助燃料を噴射するようにしている場合、いわゆるパイロット噴射を行っている場合には補助燃料の燃焼により酸素が消費されるために主燃料Ｑｍ 周りの空気が不十分となる。従ってこの場合にはパイロット噴射を停止することによって排出微粒子量Ｍが低減する。
【０１１０】
即ち、燃料噴射を制御することによって排出微粒子量Ｍを低減するようにした場合には燃料噴射量が低下せしめられるか、又は燃料噴射時期が進角されるか、又は噴射圧が高められるか、又はパイロット噴射が停止される。
次に排出微粒子量Ｍを低減するための別の方法について説明する。この方法では排出微粒子量Ｍを低減すべきときにはＥＧＲ率を低下させるためにＥＧＲ制御弁２５の開度が低下せしめられる。ＥＧＲ率が低下すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。
【０１１１】
次に排出微粒子量Ｍを低減するための更に別の方法について説明する。この方法では排出微粒子量Ｍを低減すべきときには過給圧を増大するためにウェストゲートバルブ７６（図２１）の開度が減少せしめられる。過給圧が増大すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。
次に酸化除去可能微粒子量Ｇを増大するために排気ガス中の酸素濃度を増大させる方法について説明する。排気ガス中の酸素濃度が増大するとそれだけでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが更に活性酸素放出剤６１内に取込まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素量が増大し、斯くして酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【０１１２】
この方法を実行するための方法としてはＥＧＲ率を制御する方法が挙げられる。即ち、酸化除去可能微粒子量Ｇを増大すべきときにはＥＧＲ率が低下するようにＥＧＲ制御弁２５の開度が減少せしめられる。ＥＧＲ率が低下するということは吸入空気中における吸入空気量の割合が増大することを意味しており、斯くしてＥＧＲ率が低下すると排気ガス中の酸素濃度が上昇する。その結果、酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。また、ＥＧＲ率が低下すると前述したように排出微粒子量Ｍが減少する。従ってＥＧＲ率が低下すると排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも急速に小さくなる。
【０１１３】
次に排気ガス中の酸素濃度を増大させるために２次空気を用いる方法について説明する。図２２に示す例では排気タービン２１とパティキュレートフィルタ２２との間の排気管７７が２次空気供給導管７８を介して吸気ダクト１３に連結され、２次空気供給導管７８内に供給制御弁７９が配置される。また、図２３に示す例では２次空気供給導管７８が機関駆動のエアポンプ８０に連結されている。なお、排気通路内への２次空気の供給位置はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこでもよい。
【０１１４】
図２２又は図２３に示す内燃機関においては排気ガス中の酸素濃度を増大すべきときには供給制御弁７９が開弁せしめられる。このとき、２次空気供給導管７８から排気管７７に２次空気が供給され、斯くして排気ガス中の酸素濃度が増大せしめられる。
さて、前述したように排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯｘ が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１内に吸収される。しかしながらＮＯｘ 吸収剤６１のＮＯｘ 吸収能力には限度があり、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１のＮＯｘ 吸収能力が飽和する前に活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出させる必要がある。そのためには活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されているＮＯｘ 量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では単位時間当りのＮＯｘ 吸収量Ａを要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２４に示すようなマップの形で予め求めておき、この単位時間当りのＮＯｘ 吸収量Ａを積算することによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されているＮＯｘ 量ΣＮＯＸを推定するようにしている。
【０１１５】
また、本発明による実施例ではこのＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸが予め定められた許容最大値ＭＡＸＮを越えたときに活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤２５からＮＯｘ を放出させるようにしている。
ところで排気ガス中にはＳＯｘ が含まれており、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１にはＮＯｘ ばかりでなくＳＯｘ も吸収される。この活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１へのＳＯｘ の吸収メカニズムはＮＯｘ の吸収メカニズムと同じであると考えられる。
【０１１６】
即ち、ＮＯｘ の吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫを担持させた場合を例にとって説明すると、前述したように排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ２ がＯ２ − 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ＳＯ２ は白金Ｐｔの表面でＯ２ − 又はＯ２−と反応してＳＯ３ となる。次いで生成されたＳＯ３ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤内に吸収され、カリウムＫと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４ ２− の形で活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ を生成する。
【０１１７】
しかしながらこの硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ は安定していて分解しづらく、前述したように活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出すべく排気ガスの空燃比をリッチにしても硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ は分解されずにそのまま残る。従って活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１内には時間が経過するにつれて硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれて活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１が吸収しうるＮＯｘ 量が低下することになる。
【０１１８】
ところがこの硫酸塩Ｋ２ ＳＯ４ は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度が活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１により定まる一定温度、例えばほぼ６００℃を越えると分解し、このとき活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ が放出される。ただし、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させるには活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出させる場合に比べてかなり長い時間を要する。
【０１１９】
そこで本発明による実施例では活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出すべきときには空燃比がリーンで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ない状態に維持しつつ活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させ、次いで活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比を交互にリッチとリーンに切換えながら活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させるようにしている。
【０１２０】
この場合、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させる方法は種々の方法が存在する。本発明による実施例では図１３の（ＩＩＩ ）に示されるように補助燃料ＱＶ を噴射すると共に主燃料Ｑｍ の噴射時期を遅らすか、或いは図１３（ＩＶ）に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射後に補助燃料Ｑｐ を噴射することによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させるようにしている。
【０１２１】
また、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させるときには空燃比がリーンで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ない状態に維持される。従ってこのときパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積していたとしてもこの堆積微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１の温度ＴＦがほぼ６００℃まで上昇せしめられる間に酸化除去せしめられる。
【０１２２】
一方、活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ 又はＳＯｘ を放出するために活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする方法についても種々の方法が存在する。例えば低温燃焼を行いうる場合には低温燃焼下で燃焼室５内における空燃比をリッチにすることによって活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。
【０１２３】
また、図１３の（ＩＶ） に示されるように主燃料Ｑｍ の噴射後に補助燃料Ｑｐ を噴射し、この補助燃料Ｑｐ の量を増大することによっても活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。更に図１９に示されるように排気管２０内に炭化水素供給装置７０を配置し、この炭化水素供給装置７０から炭化水素を噴射してこの炭化水素により活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。
【０１２４】
また、前述したように排気ガスの空燃比がリッチにされると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から活性酸素が一気に放出され、それによってパティキュレートフィルタ２２上に堆積している微粒子が急速に酸化せしめられる。しかしながらその後も排気ガスの空燃比がリッチにされ続けると活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１内には酸素が蓄積されず、しかも排気ガス中にもほとんど酸素が存在しないために微粒子は酸化せしめられることなくパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積せしめられることになる。
【０１２５】
そこで本発明による実施例では長い時間に亘って空燃比をリッチにする必要があるＳＯｘ の放出時には上述したように活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に流入する排気ガスの空燃比を交互にリッチとリーンに切換えるようにしている。このようにすると排気ガスの空燃比がリーンになったときに排気ガス中の活性酸素又は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１から放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ２２上の微粒子は酸化除去せしめられ、斯くしてパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積するのを阻止することができる。
【０１２６】
図２５（Ａ）は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させる際に燃焼室５内に供給される燃料量を制御することによって排気ガスの空燃比を交互にリーンとリッチに切換えるようにした場合を示しており、図２５（Ｂ）は活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させる際に排気管２０内に供給される炭化水素の量を制御することによって排気ガスの空燃比を交互にリーンとリッチに切換えるようにした場合を示している。
【０１２７】
次に図２６を参照しつつ活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＮＯｘ を放出すべきときにセットされるＮＯｘ 放出フラグおよび活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出すべきときにセットされるＳＯｘ 放出フラグの処理ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
【０１２８】
図２６を参照するとまず初めにステップ１００において図２４に示すマップから単位時間当りのＮＯｘ 吸収量Ａが算出される。次いでステップ１０１ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ１０２ではＮＯｘ 吸収量ΣＮＯＸが許容最大値ＭＡＸＮを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸＮになるとステップ１０３に進み、ＮＯｘ を放出すべきことを示すＮＯｘ 放出フラグがセットされる。次いでステップ１０４に進む。
【０１２９】
ステップ１０４では噴射量Ｑに定数ｋを乗算した積ｋ・ＱがΣＳＯＸに加算される。燃料中にはほぼ一定量の硫黄Ｓが含まれており、従って活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されるＳＯｘ 量はｋ・Ｑで表わすことができる。従ってこのｋ・Ｑを順次積算することによって得られるΣＳＯＸは活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１に吸収されていると推定されるＳＯｘ 量を表わしている。ステップ１０５ではこのＳＯｘ 量ΣＳＯＸが許容最大値ＭＡＸＳを越えたか否かが判別され、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸＳになるとステップ１０６に進んでＳＯｘ 放出フラグがセットされる。
【０１３０】
次に図２７および図２８を参照しつつ運転制御について説明する。
図２７および図２８を参照すると、まず初めにステップ２００においてＳＯｘ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＳＯｘ 放出フラグがセットされていないときにはステップ２０１に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１１のハッチングで示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の下限温度Ｔｍｉｎ 、例えば２５０℃よりも低いか否かが判別される。ＴＦ＜Ｔｍｉｎ のときにはステップ２０２に進んで前述したパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２０７に進む。
【０１３１】
一方、ステップ２０１においてＴＦ≧Ｔｍｉｎ であると判断されたときにはステップ２０３に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが図１１のハッチングで示される微粒子ＮＯｘ 同時処理領域の上限温度Ｔｍａｘ 、例えば５００℃よりも高いか否かが判別される。ＴＦ＞Ｔｍａｘ のときにはステップ２０４に進んで前述したパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを低下させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２０７に進む。
【０１３２】
一方、ステップ２０３においてＴＦ≦Ｔｍａｘ であると判断されたときにはステップ２０５に進んで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いか否かが判別される。Ｍ＞Ｇのときにはステップ２０６に進んで前述した排出微粒子量Ｍを低下させるためのいずれかの方法、又は酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２０７に進む。
【０１３３】
一方、ステップ２０５においてＭ≦Ｇであると判断されたときにはステップ２０７に進む。ステップ２０７ではＮＯｘ 放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯｘ 放出フラグがセットされていないときにはステップ２０８に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２０９においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２１０では燃料の噴射制御が行われる。
【０１３４】
これに対し、ステップ２０７においてＮＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２１１に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２１２においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２１３ではＮＯｘ を放出するために前述した排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするためのいずれかの方法が実行され、ＮＯｘ 放出フラグがリセットされる。
【０１３５】
一方、ステップ２００においてＳＯｘ 放出フラグがセットされていると判断されたときにはステップ２１４に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがＳＯｘ を放出しうる温度、例えば６００℃以上か否かが判別される。ＴＦ≦６００℃のときにはステップ２１５に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２１６においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。
【０１３６】
次いでステップ２１７では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いか否かが判別される。Ｍ＞Ｇのときにはステップ２１８に進んで前述した排出微粒子量Ｍを低下させるためのいずれかの方法、又は酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させるためのいずれかの方法が実行される。次いでステップ２１９ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをほぼ６００℃まで上昇させるための前述したいずれかの方法が実行される。
【０１３７】
一方、ステップ２１４においてＴＦ＞６００℃であると判断されたときにはステップ２２０に進んでスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２２１においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２２２では排気ガスの空燃比を交互にリッチとリーンに切換えることにより活性酸素放出・ＮＯｘ 吸収剤６１からＳＯｘ を放出させるためのＳＯｘ 放出制御が行われる。
【０１３８】
次いでステップ２２３ではＳＯｘ 量ΣＳＯＸからＳＯｘ 放出量ΔＳＯｘ が減算される。このＳＯｘ 放出量ΔＳＯｘ は一定値とすることもできるし、機関運転状態に応じて変化させることもできる。次いでステップ２２４ではＳＯｘ 量ΣＳＯＸが負になったか否かが判別される。ΣＳＯＸ＜０になったときにはステップ２２５に進んでＮＯｘ 放出フラグおよびＳＯｘ 放出フラグがリセットされる。
【０１３９】
ところで一般的に云って内燃機関では機関低負荷運転時には排気ガス温が低く、従って酸化除去可能微粒子量Ｇを排出微粒子量Ｍより多くすることが困難な場合がある。しかしながら前述した低温燃焼を行うと排出微粒子量Ｍが極めて少なく、また排気ガス温が高いためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなり、斯くして機関低負荷運転時であっても容易に酸化除去可能微粒子量Ｇを排出微粒子量Ｍよりも多くすることができる。従って低温燃焼は本発明における排気ガス浄化装置に対して極めて適していると言える。
【０１４０】
ただし、前述したようにこの低温燃焼は図１６に示される低負荷側の運転領域Ｉ内でしか行えず、高負荷側の運転領域ＩＩでは行えない。従って低温燃焼を行うようにした場合においても機関の運転状態が図１６の運転領域Ｉ内にあるときにのみ低温燃焼が行われ、機関の運転状態が境界Ｘ（Ｎ）を越えて運転領域ＩＩに移行したときには低温燃焼から通常の燃焼に切換えられる。即ち、運転領域Ｉにおいては低温燃焼が行われ、運転領域ＩＩにおいては通常の燃焼が行われる。
【０１４１】
なお本発明は、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してこの酸化触媒により排気ガス中のＮＯをＮＯ２ に変換し、このＮＯ２ とパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子とを反応させてこのＮＯ２ によっても微粒子を酸化するようにした排気ガス浄化装置にも適用できる。
【０１４２】
【発明の効果】
排気ガス中のＮＯｘ を良好に浄化しつつ排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において連続的に酸化除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】機関の要求トルクを示す図である。
【図３】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図４】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図５】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図６】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図７】酸化除去可能微粒子量を示す図である。
【図８】酸化除去可能微粒子量Ｇのマップを示す図である。
【図９】排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度のマップを示す図である。
【図１０】排出微粒子量を示す図である。
【図１１】微粒子ＮＯｘ 同時処理領域を示す図である。
【図１２】微粒子の酸化除去方法を説明するための図である。
【図１３】噴射制御を説明するための図である。
【図１４】スモークの発生量を示す図である。
【図１５】燃焼室内のガス温等を示す図である。
【図１６】運転領域Ｉ，ＩＩを示す図である。
【図１７】空燃比Ａ／Ｆを示す図である。
【図１８】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【図１９】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図２０】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２１】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２２】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２３】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２４】ＮＯｘ 吸収量Ａのマップを示す図である。
【図２５】ＳＯｘ 放出時の空燃比制御を示す図である。
【図２６】ＮＯｘ 放出フラグおよびＳＯｘ 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【図２７】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２８】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２２…パティキュレートフィルタ
２５…ＥＧＲ制御弁
Claims (28)
- 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として、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ x を放出するＮＯ x 吸収剤をパティキュレート上に担持し、通常は継続的に上記排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を該排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なくかつＮＯx 吸収率が一定値以上となる温度範囲内の微粒子ＮＯx 同時処理領域内に維持すると共にパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持して排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく酸化除去せしめると共に排気ガス中のＮＯ x をＮＯ x 吸収剤に吸収させ、ＮＯ x 吸収剤からＮＯ x を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を一時にリッチにし、通常は継続的に上記排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を上記微粒子ＮＯ x 同時処理領域内に維持するために排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方が上記微粒子ＮＯ x 同時処理領域外となったときには排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度が微粒子ＮＯ x 同時処理領域内となるように排出微粒子量、酸化除去可能微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一つを制御する制御手段を具備した排気ガス浄化装置。
- パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 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活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
- 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活性酸素放出剤の機能と、上記ＮＯ x 吸収剤の機能との双方の機能を有する活性酸素放出・ＮＯ x 吸収剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出・ＮＯ x 吸収剤から活性酸素を放出させて放出された活性酸素によりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させ、通常はパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持して排気ガス中のＮＯ x を活性酸素放出・ＮＯ x 吸収剤に吸収させ、活性酸素放出・ＮＯ x 吸収剤からＮＯ x を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を一時にリッチにする空燃比制御手段を具備した請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記活性酸素放出・ＮＯ x 吸収剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる請求項５に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記活性酸素放出・ＮＯ x 吸収剤からＳＯ x を放出すべきときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタの温度をＳＯ x 放出温度まで上昇させる温度上昇手段を具備した請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
- 該温度上昇手段は、主燃料の噴射時期を遅角させるか又は主燃料に加え補助燃料を噴射させることによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させる請求項７に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記空燃比制御手段は、活性酸素放出・ＮＯ x 吸収剤からＳＯ x を放出させる際にパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を交互にリーンとリッチに切換える請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
- パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃焼室内における平均空燃比をリッチにするか又は排気通路内に燃料を噴射するようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 機関が、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、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いときにパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃焼室内における平均空燃比をリッチにするようにした請求項１０に記載の排気ガス浄化装置。
- 該酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温度の関数である請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 該酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタの温度に加え、排気ガス中の酸素濃度又はＮＯ x 濃度の少くとも一つの関数である請求項１２に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記制御手段は、燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、上記制御手段は、再循環排気ガス量を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に炭化水素供給装置を配置し、該炭化水素供給装置から排気通路内に供給される炭化水素の量を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に排気制御弁を配置し、排気制御弁の開度を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 排気タービンを迂回する排気ガス量を制御するためのウェストゲートバルブを備えた排気ターボチャージャを具備しており、ウェストゲートバルブの開度を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を制御するようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方が上記微粒子ＮＯ x 同時処理領域外になったときに排出微粒子量を制御すべきときには、上記制御手段は排出微粒子量を減少させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記制御手段は、燃料噴射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧又は補助燃料の噴射を制御することによって排出微粒子量を減少させる請求項１９に記載の排気ガス浄化装置。
- 吸入空気を過給するための過給手段を具備し、上記制御手段は、過給圧を増大させることによって排出微粒子量を減少させる請求項１９に記載の排気ガス浄化装置。
- 排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、上記制御手段は、排気ガス再循環率を減少させることによって排出微粒子量を減少させる請求項１９に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記制御手段は、排気ガス中の酸素濃度を制御することによって酸化除去可能微粒子量を制御する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を 具備し、上記制御手段は、排気ガス再循環率を制御することによって排気ガス中の酸素濃度を制御する請求項２３に記載の排気ガス浄化装置。
- パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給するための２次空気供給装置を具備し、上記制御手段は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給することによって排気ガス中の酸素濃度を制御する請求項２３に記載の排気ガス浄化装置。
- 機関が、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、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い第１の燃焼と、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第２の燃焼とが選択的に行われる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
- 燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置を具備し、上記不活性ガスが再循環排気ガスからなり、第１の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５５パーセント以上であり、第２の燃焼が行われているときの排気ガス再循環率がほぼ５０パーセント以下である請求項２６に記載の排気ガス浄化装置。
- 機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域に分割し、第１の運転領域では第１の燃焼を行い、第２の運転領域では第２の燃焼を行うようにした請求項２６に記載の排気ガス浄化装置。
Priority Applications (6)
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