JP3578102B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/16—Oxygen

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とき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とき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とき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とき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。その結果、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、活性酸素の放出能力が低下したときに排気ガスを高温かつリッチに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ＮＯ２ 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（ＮＯ２ ＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ，ＮＯ２ ＋ＣＯ→ＮＯ＋ＣＯ２ ，２ＮＯ２ ＋Ｃ→２ＮＯ＋ＣＯ２ ）。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ＮＯ２ 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ＮＯ２ 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ＮＯ２ 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℃よりも低いときには排気ガス中のＮＯを吸収し、排気ガス温が３５０℃を越えると吸収したＮＯをＮＯ２ の形で放出するＮＯｘ吸収剤が公知である。このＮＯｘ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ＮＯｘ吸収剤を用いると排気ガス温が３５０℃よりも高くなったときにＮＯｘ吸収剤からＮＯが放出され、ＮＯが白金Ｐｔにより酸化されてＮＯ２ 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ＮＯ２ 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ときにはもはやＮＯからＮＯ２ 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、ＮＯｘ吸収剤を用いた場合にもＮＯｘ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ＮＯｘ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ＮＯｘ吸収剤を担持させ、酸化触媒によるＮＯからＮＯ２ への変換作用が行われる中負荷運転状態及びＮＯｘ吸収剤からＮＯが放出されてＮＯ２ となる中負荷運転状態になったときにはこれらＮＯ２ 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ＮＯ２ 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ＮＯ２ 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ＮＯ２ 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とき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ＮＯ２ 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ＮＯ２ 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、活性酸素の放出能力が低下したときに、活性酸素放出能力を回復させ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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、リーン運転時において燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした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、パティキュレートフィルタに担持されている酸素吸蔵・活性酸素放出剤により、周囲に過剰酸素が存在するとき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とき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。更に請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、リーン運転時において燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたときに活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスが高温かつリッチにされる。燃料内には酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を低下させる硫黄成分が含有されている。従って、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを正確に判断することができる。そして、排気ガスを高温かつリッチにすることによって、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００１８】
請求項２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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
請求項２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担持されている酸素吸蔵・活性酸素放出剤により、周囲に過剰酸素が存在するとき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とき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。更に請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置では、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたときに活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスが高温かつリッチにされる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を低下させる硫黄含有量は燃料に応じて異なるため、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断する場合よりも正確に酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを判断することができる。そして、排気ガスを高温かつリッチにすることによって、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、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およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、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燃焼を、前記燃焼室内における平均空燃比がリッチになるように燃料噴射量を制御して行うことによって排気ガスを高温かつリッチにし、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させる請求項１または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３に記載の内燃機関の排気浄化装置では、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも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燃焼を、前記燃焼室内における平均空燃比がリッチになるように燃料噴射量を制御して行うことによって排気ガスが高温かつリッチにされ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が回復せしめられる。その結果、排気ガスを高温かつリッチにしたために煤の発生量がピーク付近の発生量になってしまうのを回避しつつ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２３】
請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置では、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあるとき、パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される。その結果、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができないために排気ガスが低温又はリーンになってしまい、その低温又はリーンの排気ガスがパティキュレートフィルタに流されるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の酸素吸蔵能力が回復されることなく更に低下してしまうのを阻止することができる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤の酸素吸蔵能力が低下する原因には、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の硫黄被毒が含まれる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、排気ガスを高温かつリッチにすることができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのを禁止するようにした請求項１または２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５に記載の内燃機関の排気浄化装置では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させるために排気ガスを高温かつリッチにすることができない内燃機関の運転条件下にあるときにパティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される。そのため、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させるために排気ガスを高温かつリッチにすることができないにもかかわらず、パティキュレートフィルタに排気ガスが流され酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力の回復が試みられるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が更に低下してしまうのを阻止することができる。
【００２６】
【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。
【００２７】
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に示される実施形態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２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【００２８】
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２６を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管２６を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００２９】
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、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、及び燃料ポンプ２８に接続される。
【００３０】
図２にパティキュレートフィルタ２２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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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及び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。
【００３６】
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わしている。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２２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ＮＯ３ − 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ＫＮＯ３ を生成する。
【００３７】
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ＳＯ４ 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Ｋ２ ＳＯ４ 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ＫＮＯ３ 及び硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ が生成される。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
一方、このとき酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１に形成されている硫酸カリウムＫ２ ＳＯ４ は、強固に結びついているため、カリウムＫと酸素ＯとＳＯ２ とに分解されづらい。それゆえ、周囲の温度が低いときには、酸素濃度が低下しても活性酸素を放出しづらい。
【００４１】
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ＫＮＯ３ 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はただちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子６２は完全に消滅する。従って微粒子６２はパティキュレートフィルタ２２上に堆積することがない。尚、ＮＯｘ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。
【００４２】
従来のように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。
【００４３】
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。
【００４４】
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酸素吸蔵・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。
【００４５】
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を示している。なお、図５において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。尚、図５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５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。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よりも少ないとき、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２２に接触するや否や短時間のうちに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酸化除去せしめられる。
【００４６】
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。
【００４７】
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行われなくな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微粒子６４はもはや活性酸素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。
【００４８】
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５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よりも少なくしておく必要がある。
【００４９】
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及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よりも常時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第１の実施形態においては排出微粒子量Ｍ及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よりも常時少なくなるように維持するようにしている。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２２上に微粒子がほとんど堆積せず、斯くして背圧がほとんど上昇しない。従って機関出力はほとんど低下しない。また、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。
【００５０】
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２２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。従って第２の実施形態では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなり、かつ排出微粒子量Ｍが一時的に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及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る。
【００５１】
機関始動直後はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは低く、従ってこのときには排出微粒子量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第２の実施形態の方が現実に合っていると考えられる。一方、第１の実施形態又は第２の実施形態を実行しうるように排出微粒子量Ｍ及びパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを制御していたとしても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することによってパティキュレートフィルタ２２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。
【００５２】
即ち、排気ガスの空燃比をリッチにすると、即ち排気ガス中の酸素濃度を低下させると酸素吸蔵・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が輝炎を発することなく一気に燃焼除去される。あるいは、排気ガスの空燃比をリッチにすると、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１から活性酸素Ｏが放出され、その結果、微粒子が酸化しやすいものに変質する。この場合、パティキュレートフィルタ２２上において微粒子が積層状に堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチにしてもよいし、周期的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ときに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、このとき燃焼室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。
【００５３】
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。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一時的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。
【００５４】
また、セリウムＣｅは空燃比がリーンのときには酸素を取り込み（Ｃｅ２Ｏ３→２ＣｅＯ２）、空燃比がリッチになると活性酸素を放出する（２ＣｅＯ２→Ｃｅ２Ｏ３）機能を有する。従って酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅを用いると空燃比がリーンのときにはパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が付着すると酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１から放出された活性酸素によって微粒子が酸化され、空燃比がリッチになると酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１から多量の活性酸素が放出されるために微粒子が酸化される。従って酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅを用いた場合にも空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切換えるとパティキュレートフィルタ２２上における微粒子の酸化反応を促進することができる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅ以外に錫等を用いることも可能である。
【００５５】
図６に機関の運転制御ルーチンの一例を示す。図６を参照するとまず初めにステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきか否かが判別される。燃焼室５内の平均空燃比をリッチにする必要がないときには排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにステップ１０１においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０２においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、ステップ１０３において燃料噴射量が制御される。
【００５６】
一方、ステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきであると判別されたときにはＥＧＲ率が６５パーセント以上になるようにステップ１０４においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０５においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、燃焼室５内の平均空燃比がリッチとなるようにステップ１０６において燃料噴射量が制御される。
【００５７】
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 が生成されると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２２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。
【００５８】
図７は第一及び第二の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復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、このルーチンが開始されると、まずステップ２００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ２０１に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ２０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく内燃機関の運転条件が変更される。
【００５９】
上述した第一及び第二の実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２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ときに酸素が取り込まれて保持され（図３（Ａ）参照）、周囲の酸素濃度が低下したときにその保持された酸素が活性酸素の形で放出される（図３（Ｂ）参照）。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６２がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する前（図４の残留微粒子部分６３になる前）に、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１が放出する活性酸素Ｏにより、輝炎を発することなくその微粒子６２を酸化除去することができる。
【００６０】
更に上述した第一及び第二の実施形態によれば、ステップ２００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したと判断されたとき、ステップ２０１において排気ガスが高温かつリッチにされる。その結果、微粒子６２を酸化除去する活性酸素Ｏを放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００６１】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第三の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図６を参照して説明した第一及び第二の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図８は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法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３００において、ＲＡＭ３３から読み込まれた内燃機関のリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが所定の閾値Ｆ１を越えたか否かが判断される。ＹＥＳのときには、リーン運転の下で酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１により酸素が吸蔵され続けてきたものの活性酸素が放出される機会が不足したために酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下してしまったと判断し、ステップ２０１に進む。一方、ＮＯのときには、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１により活性酸素が放出される機会があったため酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力は低下していないと判断し、このルーチンを終了する。ステップ２０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく内燃機関の運転条件が変更される。
【００６２】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ３００においてリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが閾値Ｆ１を越えたと判断されたとき、ステップ２０１において排気ガスが高温かつリッチにされる。燃料内には酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を低下させる硫黄成分が含有されており、この硫黄成分は活性酸素が放出される機会が不足していると十分に分解されない。従って、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが閾値Ｆ１を越えたか否かを判断することにより、つまり、硫黄成分を分解するために活性酸素が放出される機会が十分にあったか否かを判断することにより、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かを正確に判断することができる。
【００６３】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第四の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図６を参照して説明した第一及び第二の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図９は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図９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、内燃機関のリーン運転時における硫黄排出量ＳＡが所定の閾値ＴＳＡを越えたか否かが判断される。ＹＥＳのときには、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１がＳ被毒し活性酸素放出能力が低下してしまったと判断し、ステップ２０１に進む。一方、ＮＯのときには、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１はＳ被毒しておらず活性酸素放出能力が低下していないと判断し、このルーチンを終了する。ステップ２０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく内燃機関の運転条件が変更される。
【００６４】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ４００においてリーン運転時における硫黄排出量ＳＡが閾値ＴＳＡを越えたと判断されたとき、ステップ２０１において排気ガスが高温かつリッチにされる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を低下させる硫黄含有量は燃料に応じて異なるため、ステップ４００においてリーン運転時における硫黄排出量ＳＡが閾値ＴＳＡを越えたか否かを判断することにより、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが閾値Ｆ１を越えたか否かを判断する第三の実施形態の場合よりも正確に酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かを判断することができる。
【００６５】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第五の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図６を参照して説明した第一及び第二の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図１０は機関低負荷運転時にスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図１０の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図１０からわかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。図１０に示されるようにＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度になったときにスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００６６】
図１１（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１付近でスモークの発生量が最も多いときの燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図１１（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量がほぼ零のときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。図１１（Ａ）と図１１（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１１（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図１１（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００６７】
図１０および図１１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ときには図１０に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室５内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図１１からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図１１（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００６８】
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１０に示されるようにＨＣおよびＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図１２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１２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１０に示される如くＨＣおよびＣＯの排出量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【００６９】
図１０および図１１に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低いときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室５内における燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室５内における燃料およびその周囲の温度が或る温度以上になると煤が生成されることが判明したのである。
【００７０】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はＮＯｘ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ＮＯｘの発生量から或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、ＮＯｘの発生量が低下する。このときＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下になったときに煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【００７１】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化機能を有する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において採用されている新たな燃焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有する触媒により酸化せしめることを核としている。
【００７２】
さて、煤が生成される前の状態で炭化水素の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料およびその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が極めて大きく影響することが判明している。即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼する。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、このときには燃料から離れている空気は燃料の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
【００７３】
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。
【００７４】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴なって増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ２ やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００７５】
図１３は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図１３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１３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１３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１３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１３は機関負荷が比較的高いときのスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【００７６】
図１４は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図１４において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【００７７】
図１４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１４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１４においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およびその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ５５パーセント以上であり、図１４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６において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図１４に示すような割合にすると燃料およびその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯｘ発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ 前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯｘの発生量は極めて少量となる。
【００７８】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図１４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１４において要求負荷がＬｏ よりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてＥＧＲガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がＬｏ よりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率が低下し、斯くして要求負荷がＬｏ よりも大きい領域では燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持しえなくなる。
【００７９】
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Ｌｏ よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５５パーセント以上、例えば７０パーセントに維持することができ、斯くして燃料およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。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およびその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持することができる。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Ｌｏ よりも大きい領域でＥＧＲ率を５５パーセント以上にする際にはＥＧＲ制御弁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。
【００８０】
前述したように図１４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１４に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘ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１４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ＮＯｘ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、ＮＯｘ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とき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、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００８１】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施形態では機関中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少い燃焼のことを言う。
【００８２】
図１５は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉ’と、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の運転領域ＩＩ’とを示している。なお、図１５において縦軸Ｌはアクセルペダル５０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図１５においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉ’と第２の運転領域ＩＩ’との第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉ’と第２の運転領域ＩＩ’との第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉ’から第２の運転領域ＩＩ’への運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＩ’から第１の運転領域Ｉ’への運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’にあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第２の運転領域ＩＩ’に移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域Ｉ’に移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００８３】
このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二つの境界を設けたのは次の二つの理由による。第１の理由は、第２の運転領域ＩＩ’の高負荷側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからである。即ち、要求負荷Ｌがかなり低くなったとき、即ち第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければただちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由は第１の運転領域Ｉ’と第２の運転領域ＩＩ’間の運転領域の変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【００８４】
ところで機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ’にあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。このとき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は酸化機能を有する触媒（図示せず）により良好に酸化せしめられる。この触媒としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯｘ吸収剤を用いることができる。ＮＯｘ吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘを放出する機能を有する。このＮＯｘ吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯｘ吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびＮＯｘ吸収剤を上述した触媒として用いることができる。
【００８５】
図１６は空燃比センサ（図示せず）の出力を示している。図１６に示されるように空燃比センサの出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサの出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００８６】
次に図１７を参照しつつ第１の運転領域Ｉ’および第２の運転領域ＩＩ’における運転制御について概略的に説明する。図１７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、噴射時期および噴射量を示している。図１７に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉ’ではスロットル弁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１７に示される例では第１の運転領域Ｉ’ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【００８７】
言い換えると第１の運転領域Ｉ’ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。また、第１の運転領域Ｉ’では圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。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、このとき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。
【００８８】
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ’から第２の運転領域ＩＩ’に変わるとスロットル弁２０の開度が２／３開度程度から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図１７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１３）を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ’から第２の運転領域ＩＩ’に変わるときに多量のスモークが発生することがない。第２の運転領域ＩＩ’では従来から行われている燃焼が行われる。この第２の運転領域ＩＩ’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、この運転領域ＩＩ’ではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域ＩＩ’では噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００８９】
図１８（Ａ）は第１の運転領域Ｉ’における目標空燃比Ａ／Ｆを示している。図１８（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であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１８（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉ’では空燃比がリーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉ’では要求負荷Ｌが低くなるほど目標空燃比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１８（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。
【００９０】
なお、図１８（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図１８（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、空燃比を図１８（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１９（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比を図１８（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１９（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００９１】
図２０（Ａ）は第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比Ａ／Ｆを示している。なお、図２０（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２０（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図２０（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、空燃比を図２０（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２１（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比を図２０（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２１（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００９２】
また、第２の燃焼が行われているときには燃料噴射量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに基づいて算出される。この燃料噴射量Ｑは図２２に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００９３】
次に図２３を参照しつつ本実施形態の運転制御について説明する。図２３を参照すると、まず初めにステップ２１００において機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’であることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’であるときにはステップ２１０１に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２１０３に進んで低温燃焼が行われる。一方、ステップ２１０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ２１０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ２１０９に進んで第２の燃焼が行われる。
【００９４】
ステップ２１００において、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’であることを示すフラグＩがセットされていないと判別されたとき、即ち機関の運転状態が第２の運転領域ＩＩ’であるときには、ステップ２１０８に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ２１１０に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。一方、ステップ２１０８においてＬ＜Ｙ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ２１０９に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ２１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００９５】
ステップ２１０３では図１９（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２１０４では図１９（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２１０５では質量流量検出器（図示せず）により検出された吸入空気の質量流量（以下、単に吸入空気量と称す）Ｇａが取込まれ、次いでステップ２１０６では図１８（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２１０７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。
【００９６】
上述したようにに低温燃焼が行われているときには要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化するとスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５の開度がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標開度ＳＴ，ＳＥに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Ｌが増大せしめられるとただちに燃焼室５内の空気量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。一方、スロットル弁１７の開度又はＥＧＲ制御弁２５の開度が変化して吸入空気量が変化するとこの吸入空気量Ｇａの変化が質量流量検出器により検出され、この検出された吸入空気量Ｇａに基づいて燃料噴射量Ｑが制御される。即ち、吸入空気量Ｇａが実際に変化した後に燃料噴射量Ｑが変化せしめられることになる。
【００９７】
ステップ２１１０では図２２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２１１１では図２１（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２１１２では図２１（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２１１３では質量流量検出器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２１１４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）Ｒ が算出される。次いでステップ２１１５では図２０（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２１１６では実際の空燃比（Ａ／Ｆ）Ｒ 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）Ｒ ＞Ａ／Ｆのときにはステップ２１１７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２１１９へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）Ｒ ≦Ａ／Ｆのときにはステップ２１１８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２１１９に進む。ステップ２１１９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）Ｒ 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。
【００９８】
このように第２の燃焼が行われているときには要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化すると燃料噴射量がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標燃料噴射量Ｑに一致せしめられる。例えば要求負荷Ｌが増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。一方、燃料噴射量Ｑが増大せしめられて空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆからずれると空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が制御される。即ち、燃料噴射量Ｑが変化した後に空燃比が変化せしめられることになる。
【００９９】
これまで述べた実施形態では低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Ｑはオープンループ制御され、第２の燃焼が行われているときに空燃比がスロットル弁２０の開度を変化させることによって制御される。しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Ｑを空燃比センサ２７の出力信号に基づいてフィードバック制御することもできるし、また第２の燃焼が行われているときに空燃比をＥＧＲ制御弁３１の開度を変化させることによって制御することもできる。
【０１００】
図２４は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図２４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において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ５００に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ５００では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく上述した低温燃焼、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燃焼（図１３参照）が実行される。
【０１０１】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、煤の発生量がピークとなる不活性ガスとしてのＥＧＲガスの量よりも燃焼室５内に供給される不活性ガスとしてのＥＧＲガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃焼を行うことにより排気ガスが高温かつリッチにされ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が回復せしめられる。その結果、排気ガスを高温かつリッチにしたために煤の発生量がピーク付近の発生量になってしまうのを回避しつつ（図１３参照）、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１０２】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第六の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図２３を参照して説明した第一及び第二並びに第五の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。本実施形態では図１に示したパティキュレートフィルタ２２が使用される代わりに、図２５及び図２６に示すパティキュレートフィルタ２２２が使用される。図２５はパティキュレートフィルタ２２２の拡大図である。詳細には、図２５（Ａ）はパティキュレートフィルタの拡大平面図、図２５（Ｂ）はパティキュレートフィルタの拡大側面図である。図２５において、パティキュレートフィルタ２２２は排気ガスを順流方向にも逆流方向にも流すことができるように構成されている。２２３はパティキュレートフィルタ２２２を内蔵したケーシング、２７１は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２２を順流方向に通過するときにパティキュレートフィルタ２２２の上流側通路となる第一通路、２７２は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２２を逆流方向に通過するときにパティキュレートフィルタ２２２の上流側通路となる第二通路である。２７３は排気ガスの流れを順流方向と逆流方向とバイパス状態とで切り換えるための排気切換バルブである。
【０１０３】
図２６は排気切換バルブの切換位置と排気ガスの流れとの関係を示した図である。詳細には、図２６（Ａ）は排気切換バルブ２７３が順流位置にあるときの図、図１０（Ｂ）は排気切換バルブ２７３が逆流位置にあるときの図、図１０（Ｃ）は排気切換バルブ２７３がバイパス位置にあるときの図である。排気切換バルブ２７３が順流位置にあるとき、図１０（Ａ）に示すように、排気切換バルブ２７３を通過してケーシング２２３内に流入した排気ガスは、まず第一通路２７１を通過し、次いでパティキュレートフィルタ２２２を通過し、最後に第二通路２７２を通過し、再び排気切換バルブ２７３を通過して排気管に戻される。排気切換バルブ２７３が逆流位置にあるとき、図１０（Ｂ）に示すように、排気切換バルブ２７３を通過してケーシング２２３内に流入した排気ガスは、まず第二通路２７２を通過し、次いでパティキュレートフィルタ２２２を図１０（Ａ）に示した場合とは逆向きに通過し、最後に第一通路２７１を通過し、再び排気切換バルブ２７３を通過して排気管に戻される。排気切換バルブ２７３がバイパス位置にあるとき、図１０（Ｃ）に示すように、第一通路２７１内の圧力と第二通路２７２内の圧力とが等しくなるために、排気切換バルブ２７３に到達した排気ガスはケーシング２２３内に流入することなくそのまま排気切換バルブ２７３を通過する。
【０１０４】
図２７は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図２７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において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ６００に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ６００では、内燃機関の運転条件が低温燃焼を実行可能な運転条件であるか否か、つまり、内燃機関の運転条件が図１５に示した第１の運転領域Ｉ’内にあるか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ５００に進み、ＮＯのときにはステップ６０１に進む。ステップ５００では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく上述した低温燃焼、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燃焼（図１３参照）が実行される。一方、ステップ６０１では、排気ガスがバイパスされる。つまり、図１０（Ｃ）に示すように排気切換バルブ２７３がバイパス位置に配置され、排気切換バルブ２７３に到達した排気ガスがケーシング２２３内に流入することなくそのまま排気切換バルブ２７３を通過せしめられる。
【０１０５】
本実施形態によっても上述した第一及び第二並びに第五の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ６００において煤がほとんど発生しない低温燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあると判断されたとき、ステップ６０１においてパティキュレートフィルタ２２２に排気ガスを流すのが禁止され、排気ガスがバイパスされる。その結果、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができないために排気ガスが低温又はリーンになってしまい、その低温又はリーンの排気ガスがパティキュレートフィルタ２２２に流されるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が回復されることなく更に低下してしまうのを阻止することができる。
【０１０６】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第七の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図２６を参照して説明した第六の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図２８は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図２８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９００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができるか否かが判断される。例えば排気ガスを高温かつリッチにできるような内燃機関の運転条件下にあるときにはＹＥＳと判断され、ステップ９０１に進む。一方、ＮＯのときにはステップ６０１に進む。ステップ９０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復すべく内燃機関の運転条件がそのまま維持されるか変更される。例えば、内燃機関の運転条件が図１５に示した第１の運転領域Ｉ’内にあるときであって低温燃焼が行われているときにはそのまま低温燃焼が継続され、排気ガスが高温かつリッチのまま維持される。一方、内燃機関の運転条件が図１５に示した第１の運転領域Ｉ’内にあるときであって低温燃焼が行われていないときには通常燃焼から低温燃焼に切り換えられ、排気ガスが高温かつリッチにされる。ステップ６０１では排気ガスがバイパスされる。つまり、図１０（Ｃ）に示すように排気切換バルブ２７３がバイパス位置に配置され、排気切換バルブ２７３に到達した排気ガスがケーシング２２３内に流入することなくそのまま排気切換バルブ２７３を通過せしめられる。
【０１０７】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ９００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができない内燃機関の運転条件下にあると判断されたとき、ステップ６０１においてパティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止され、排気ガスがバイパスされる。そのため、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができないにもかかわらず、パティキュレートフィルタ２２２に排気ガスが流され酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力の回復が試みられるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が更に低下してしまうのを阻止することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
請求項１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。
【０１０９】
また、請求項１に記載の発明によれば、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを正確に判断することができる。更に、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１１０】
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。また、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を低下させる硫黄含有量は燃料に応じて異なるため、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断する場合よりも正確に酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを判断することができる。更に、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１１１】
請求項３に記載の発明によれば、排気ガスを高温かつリッチにしたために煤の発生量がピーク付近の発生量になってしまうのを回避しつつ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１１２】
請求項４に記載の発明によれば、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができないために排気ガスが低温又はリーンになってしまい、その低温又はリーンの排気ガスがパティキュレートフィルタに流されるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が回復されることなく更に低下してしまうのを阻止することができる。
【０１１３】
請求項５に記載の発明によれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させるために排気ガスを高温かつリッチにすることができないにもかかわらず、パティキュレートフィルタに排気ガスが流され酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力の回復が試みられるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が更に低下してしまうのを阻止することができる。
【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２２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】機関の運転制御ルーチンの一例を示した図である。
【図７】第一及び第二の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図８】第三の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図９】第四の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図１０】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図である。
【図１１】燃焼圧を示す図である。
【図１２】燃料分子を示す図である。
【図１３】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図１４】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図１５】第１の運転領域Ｉ’および第２の運転領域ＩＩ’を示す図である。
【図１６】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１７】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１８】第１の運転領域Ｉ’における空燃比等を示す図である。
【図１９】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図２０】第２の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図２１】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図２２】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図２３】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２４】第五の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図２５】パティキュレートフィルタの拡大図である。
【図２６】排気切換バルブの切換位置と排気ガスの流れとの関係を示した図である。
【図２７】第六の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図２８】第七の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示した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
２０…排気管
２２…パティキュレートフィルタ
２５…ＥＧＲ制御弁[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 the catalyst supported on the particulate filter takes in oxygen and retains oxygen when excess oxygen exists around the catalyst. Further, Japanese Patent Publication No. 7-106290 does not disclose that the catalyst supported on the particulate filter releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. . Therefore, the catalyst of the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in Japanese Patent Publication No. 7-106290 takes in oxygen when there is excess oxygen in the surroundings, retains the oxygen, and when the oxygen concentration in the surroundings decreases, the oxygen is retained. Retained oxygen cannot be released in the form of active oxygen. As a result, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in Japanese Patent Publication No. 7-106290, it is not possible to make the exhaust gas high temperature and rich when the active oxygen release capability is reduced.
[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 filter2  Can 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 NO2  NO in order to ignite and burn the fine particles by the reaction with NO2  Must 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.2  Thus, 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.2  NOx absorbents that release in the form of are known. The NOx 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. It is made of a noble metal such as Pt. When this NOx absorbent is used, when the exhaust gas temperature becomes higher than 350 ° C., NO is released from the NOx absorbent, NO is oxidized by platinum Pt, and NO is released.2  Thus, the fine particles collected on the particulate filter are more easily ignited and burned.
[0007]
However, from NO by the oxidation catalyst to NO2  The 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 NO to NO.2  No conversion operation is performed, so that the particulate matter collected on the particulate filter cannot be ignited and burned. Further, even when the NOx absorbent is used, NO is released from the NOx absorbent within a limited exhaust gas temperature range of 350 ° C. or more, and the amount of NO released from the NOx absorbent is There is a limit.
[0008]
Therefore, an oxidation catalyst is disposed in an exhaust passage upstream of the particulate filter, and a NOx absorbent is carried on the particulate filter, so that NO from the oxidation catalyst can be converted to NO.2  NO load is released from the NOx absorbent under the medium load operation condition where2  When the medium load operation state2  Igniting and burning the fine particles trapped on the particulate filter by2  During 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.2  During low-load operation where it is not expected to generate CO2, the exhaust gas temperature is raised by an electric heater and NO2  In addition, when the exhaust gas temperature decreases 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 filter2  Is 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, NO2  Since 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 provides an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine that can oxidize fine particles with active oxygen and recover the active oxygen releasing ability when the active oxygen releasing ability decreases. With the goal.
[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. Carries an oxygen storage / active oxygen releasing agent that 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,When the integrated fuel consumption value exceeds a predetermined value during lean operationThat the ability to release active oxygen has decreasedJudgeProvided is an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, which makes exhaust gas high temperature and rich.
[0015]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, the oxygen storage / active oxygen release agent carried on the particulate filter captures and holds oxygen when excess oxygen is present in the surroundings. When the oxygen concentration decreases, the retained oxygen is released in the form of active oxygen. Therefore, unlike the conventional case, the fine particles are deposited on the particulate filter and then removed by emitting a bright flame, but unlike the case where the fine particles are deposited on the particulate filter before being deposited on the particulate filter. The fine particles can be oxidized and removed by the active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent without emitting a bright flame. Further, in the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1,When the fuel consumption integrated value exceeds a predetermined value during lean operation, it is determined that the active oxygen release capability has decreased, and the exhaust gas is made rich and high in temperature. The fuel contains a sulfur component that reduces the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent. Therefore, by determining whether or not the integrated value of fuel consumption during the lean operation in which oxygen is to be stored has exceeded a predetermined value, it is determined whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent has decreased. Can be accurately determined. And by making the exhaust gas hot and rich,It is possible to restore the active oxygen releasing ability required to release active oxygen for oxidizing and removing fine particles.
[0018]
Claim2According to the invention described in the above,In an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine in which a particulate filter for removing particulates in exhaust gas exhausted from a combustion chamber is disposed in an engine exhaust passage, the particulate filter removes oxygen when excess oxygen exists around the particulate filter. It carries an oxygen storage / active oxygen release agent that takes in oxygen to retain it and releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases,When the sulfur emission exceeds a predetermined value during lean operationThe exhaust gas purification device of an internal combustion engine is designed to make the exhaust gas high temperature and rich by judging that the active oxygen release capacity has decreased.Is provided.
[0019]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, the oxygen storage / active oxygen release agent carried on the particulate filter captures and holds oxygen when excess oxygen is present in the surroundings. When the oxygen concentration decreases, the retained oxygen is released in the form of active oxygen. Therefore, unlike the conventional case, the fine particles are deposited on the particulate filter and then removed by emitting a bright flame, but unlike the case where the fine particles are deposited on the particulate filter before being deposited on the particulate filter. The fine particles can be oxidized and removed by the active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent without emitting a bright flame. FurtherClaim2In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above, when the sulfur emission exceeds a predetermined value during lean operationJudging that the ability to release active oxygen has decreasedThe exhaust gas is made hot and rich. Since the sulfur content that reduces the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent differs depending on the fuel, by determining whether the sulfur emission has exceeded a predetermined value during lean operation, Whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent has decreased more accurately than when it is determined whether or not the integrated fuel consumption value during the lean operation in which oxygen is to be stored has exceeded a predetermined value. Can be determined.Then, by making the exhaust gas high temperature and rich, it is possible to recover the active oxygen releasing ability required for releasing the active oxygen for oxidizing and removing the fine particles.
[0020]
Claim3According to the invention described in the above, when the amount of the inert gas supplied into the combustion chamber is increased, the generation amount of soot gradually increases and reaches a peak, and the amount of the inert gas supplied into the combustion chamber is When the amount is further increased, the internal combustion engine in which the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and its surrounding gas becomes lower than the temperature at which soot is generated and soot is hardly generated, and the amount of soot generated reaches a peak. The amount of the inert gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of theControlling the fuel injection amount so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber becomes rich.To doThereforeThe exhaust gas is heated and rich to recover the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent.Or 2The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to (1) is provided.
[0021]
Claim3In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above, the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is larger than the amount of inert gas at which the amount of generated soot is a peak, and combustion in which soot is hardly generated is performed.Controlling the fuel injection amount so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber becomes rich.To doThereforeThe exhaust gas is heated and made rich, and the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent is restored. As a result, it is possible to recover the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent while avoiding that the amount of soot generated near the peak due to high temperature and rich exhaust gas. .
[0022]
Claim4According to the invention described in (1), the flow of exhaust gas to the particulate filter is prohibited when the operating condition of the internal combustion engine that cannot perform combustion that generates little soot is prohibited.3The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to (1) is provided.
[0023]
Claim4In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described above, when operating conditions of the internal combustion engine that cannot perform combustion with almost no generation of soot, flowing exhaust gas to the particulate filter is prohibited. As a result, the exhaust gas becomes low temperature or lean because combustion that generates little soot cannot be performed, and as the low temperature or lean exhaust gas is passed through the particulate filter, the oxygen storage / activity is reduced. It is possible to prevent the oxygen storage capacity of the oxygen releasing agent from being further reduced without being restored. Causes of the decrease in the oxygen storage capacity of the oxygen storage / active oxygen releasing agent include sulfur poisoning of the oxygen storage / active oxygen releasing agent.
[0024]
According to the invention described in claim 5,Make exhaust gas hot and richWhen the operating condition of the internal combustion engine is not possible, the exhaust gas is prohibited from flowing through the particulate filter.The method according to claim 1 or 2An exhaust purification device for an internal combustion engine is provided.
[0025]
Claim5In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above, the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent is restored.High temperature and rich exhaust gasExhaust gas is prohibited from flowing through the particulate filter when the operating condition of the internal combustion engine is not possible. Therefore, the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent is restored.High temperature and rich exhaust gasDespite the inability to do so, the exhaust gas is flown through the particulate filter to attempt to restore the active oxygen release capability of the oxygen storage / active oxygen release agent, and the active oxygen release of the oxygen storage / active oxygen release agent It is possible to prevent the ability from being further reduced.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0027]
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 branch pipe 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. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an exhaust turbine 21 of the exhaust turbocharger 14 via an exhaust manifold 19 and an exhaust pipe 20, and an outlet of the exhaust turbine 21 is connected to a casing 23 having a built-in particulate filter 22.
[0028]
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 EGR gas is cooled by the engine cooling water. 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 26. Fuel is supplied into the common rail 27 from an electric control type variable discharge fuel pump 28, and the fuel supplied into the common rail 27 is supplied to the fuel injection valve 6 through each fuel supply pipe 26. 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.
[0029]
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. A temperature sensor 39 for detecting the temperature of the particulate filter 22 is attached to the particulate filter 22, and an output signal of the temperature sensor 39 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. . 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.
[0030]
FIG. 2 shows the structure of the particulate filter 22. 2A shows a front view of the particulate filter 22, and FIG. 2B shows a side cross-sectional view of the particulate filter 22. As shown in FIGS. 2A and 2B, the particulate filter 22 has a honeycomb structure and includes a plurality of exhaust passages 50 and 51 extending parallel to 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.
[0031]
The particulate filter 22 is formed of, for example, a porous material such as cordierite. Therefore, the exhaust gas that has flowed into the exhaust gas inflow passage 50 is, as shown by an arrow in FIG. And flows out into the adjacent exhaust gas outflow passage 51.
[0032]
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.
[0033]
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.
[0034]
Next, the action of removing particulates in the exhaust gas by the particulate filter 22 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.
[0035]
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.2  It becomes. Therefore, SO in the exhaust gas2  It is included. Thus, excess oxygen, NO and SO2  Will flow into the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22.
[0036]
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 22, as shown in FIG.2  Is 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 next2  Is 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 KNO3  Generate
[0037]
On the other hand, as described above, SO2 is contained in the exhaust gas.2  Is also included in this SO2  Is 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 O2  Is O2  −  Or O2-Is attached to the surface of platinum Pt in the form of2  Is O on the surface of platinum Pt2  −  Or O2-Reacts with SO3  It becomes. Then the generated SO3  Is 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 K2  SO4  Generate In this manner, potassium nitrate KNO is contained in the oxygen storage / active oxygen release catalyst 61.3  And potassium sulfate K2  SO4  Is generated.
[0038]
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. When the exhaust gas flows in the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22, or when the exhaust gas flows from the exhaust gas inflow passage 50 to the exhaust gas outflow passage 51 in FIG. As shown by 62 in (B), it contacts and adheres to the surface of the carrier layer, for example, the surface of the oxygen storage / active oxygen release agent 61.
[0039]
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 613  Is 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.
[0040]
On the other hand, at this time, the potassium sulfate K formed in the oxygen storage / active oxygen release agent 612  SO4  Are tightly bound, so potassium K, oxygen O and SO2  It 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 is reduced.
[0041]
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 KNO3  Is 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 into contact with the fine particles 62, the fine particles 62 are immediately oxidized without emitting a bright flame, and the fine particles 62 are completely eliminated. Therefore, the fine particles 62 do not accumulate on the particulate filter 22. Note that NOx is a nitrate ion NO in the oxygen storage / active oxygen release agent 61 while repeating bonding and separation of oxygen atoms.3 −It is thought that it diffuses in the form of, and active oxygen is also generated during this time. The fine particles 62 are also oxidized by the active oxygen. Further, the fine particles 62 thus adhered on the particulate filter 22 are oxidized by the active oxygen O, but the fine particles 62 are also oxidized by the oxygen in the exhaust gas.
[0042]
When the particulates accumulated in a layer on the particulate filter 22 are burned as in the related art, the particulate filter 22 glows red and burns with a flame. Such combustion with a flame cannot be sustained unless it is at a high temperature, so that the temperature of the particulate filter 22 must be maintained at a high temperature in order to sustain the combustion with such a flame.
[0043]
On the other hand, in the present invention, the fine particles 62 are oxidized without emitting a bright flame as described above, and at this time, the surface of the particulate filter 22 does not glow. 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.
[0044]
By the way, the platinum Pt and the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 are activated as the temperature of the particulate filter 22 increases, so that the amount of active oxygen O that the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 can release per unit time is particulate. It increases as the temperature of the filter 22 increases. Naturally, the higher the temperature of the fine particles themselves, the more easily they are oxidized and removed. Therefore, the amount of oxidizable particles that can be oxidized and removed on the particulate filter 22 without emitting luminous flame per unit time increases as the temperature of the particulate filter 22 increases.
[0045]
The solid line in FIG. 5 indicates the amount G of oxidizable and removable fine particles that can be oxidized and removed without emitting a bright flame per unit time. In FIG. 5, the horizontal axis represents the temperature TF of the particulate filter 22. Note that FIG. 5 shows the amount G of particles 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 can be adopted as the unit time. it can. For example, when 10 minutes is used as the unit time, the amount G of oxidizable and removable particles per unit time represents the amount G of oxidizable and removable particles per 10 minutes. As shown in FIG. 5, the amount G of the oxidizable particles that can be oxidized and removed without emitting a bright flame increases as the temperature of the particulate filter 22 increases. When the amount of the 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, that is, in the region I in FIG. As soon as all the fine particles come into contact with the particulate filter 22, they are oxidized and removed on the particulate filter 22 in a short time without emitting a bright flame.
[0046]
On the other hand, when the amount M of discharged fine particles is larger than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, that is, in the region II in FIG. 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. 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.
[0047]
When the surface of the carrier layer is covered with the residual fine particle portion 63, NO, SO2  Since the oxidizing action of active oxygen and the releasing action of active oxygen by the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 are not performed, 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 stacked manner in this manner, the fine particles 64 are no longer oxidized by the active oxygen O, and therefore, further fine particles are deposited on the fine particles 64 one after another. That is, when 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 are deposited on the particulate filter 22 in a layered manner. Unless the temperature of the filter 22 is increased, the deposited fine particles cannot be ignited and burned.
[0048]
As described above, in the region I of FIG. 5, the fine particles are oxidized within a short time without emitting a bright flame on the particulate filter 22, and in the region II of FIG. I do. Therefore, in order to prevent the fine particles from depositing on the particulate filter 22 in a layered manner, the amount M of the discharged fine particles needs to be always smaller than the amount G of the fine particles that can be oxidized and removed.
[0049]
As can be seen from FIG. 5, the particulate filter 22 used in the embodiment of the present invention can oxidize the fine particles even if the temperature TF of the particulate filter 22 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 22 so that the amount M of discharged particulate is always smaller than the amount G of particulate that can be removed by oxidation. Therefore, in the first embodiment according to the present invention, the amount M of discharged fine particles and the temperature TF of the particulate filter 22 are maintained such that the amount M of discharged fine particles is always smaller than the amount G of fine particles 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, the fine particles hardly accumulate on the particulate filter 22, and thus the back pressure hardly increases. Therefore, the engine output hardly decreases. If the amount M of discharged fine particles is maintained to be smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, the fine particles will not be deposited on the particulate filter 22 in a stacked manner. As a result, the pressure loss of the exhaust gas flow in the particulate filter 22 is maintained at a substantially constant minimum pressure loss value without changing at all. In this way, a reduction in engine power can be kept to a minimum.
[0050]
On the other hand, as described above, once the fine particles are deposited in layers on the particulate filter 22, it is difficult to oxidize the fine particles with 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 fine particles are deposited only below a certain limit, if the exhaust fine particle amount M becomes smaller than the oxidizable and removable fine particle amount G, the residual fine particle portion becomes active oxygen. O is oxidized and removed without emitting a bright flame. Therefore, in the second embodiment, even if the amount M of discharged fine particles is usually smaller than the amount G of fine particles removable by oxidation, and the amount M of discharged fine particles is temporarily larger than the amount G of fine particles removable by oxidation, FIG. As shown in (2), the amount of fine particles of a certain amount or less that can be oxidized and removed when the amount of discharged fine particles M becomes smaller than the amount of fine particles G that can be removed by oxidation so that the surface of the carrier layer is not covered by the residual fine particle portion 63. The amount M of discharged particulates and the temperature TF of the particulate filter 22 are maintained so that only the particulate filter 22 is stacked on the particulate filter 22.
[0051]
Immediately after the start of the engine, the temperature TF of the particulate filter 22 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, it is considered that the second embodiment is more suitable for actual driving. On the other hand, even if the amount M of discharged particulates and the temperature TF of the particulate filter 22 are controlled so that the first embodiment or the second embodiment can be executed, the particulates are deposited on the particulate filter 22 in a layered manner. May be. In such a case, the particulates deposited on the particulate filter 22 can be oxidized without emitting a bright flame by temporarily making the air-fuel ratio of a part or the whole of the exhaust gas rich.
[0052]
That is, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas is lowered, the active oxygen O is released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 to the outside at a stretch. As a result, the deposited fine particles are burned and removed at a stretch without emitting a bright flame. Alternatively, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, the active oxygen O is released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61, and as a result, the fine particles are transformed into a substance easily oxidized. In this case, the air-fuel ratio of the exhaust gas may be made rich when the particulates are deposited on the particulate filter 22 in a layered manner, or the air-fuel ratio of the exhaust gas may be made rich periodically. As a method for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas, for example, when the engine load is relatively low, the throttle valve 17 is controlled so that the EGR rate (EGR gas amount / (intake air amount + EGR gas amount)) becomes 65% or more. A method of controlling the opening degree and the opening degree of the EGR control valve 25 and controlling the injection amount at this time so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes rich can be used.
[0053]
On the other hand, when the air-fuel ratio is maintained lean, the surface of platinum Pt is covered with oxygen, and so-called oxygen poisoning of platinum Pt occurs. When such oxygen poisoning occurs, the oxidizing effect on NOx is reduced, so that the NOx absorption efficiency is reduced, and thus the amount of active oxygen released 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, the oxidizing action on NOx increases, so that NOx absorption is increased. The efficiency is increased, and thus the amount of active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 is increased. Therefore, when the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich temporarily while the air-fuel ratio is maintained lean, oxygen poisoning of platinum Pt is eliminated each time, so that active oxygen release when the air-fuel ratio is lean is eliminated. The amount is increased, and thus the oxidizing action of the fine particles on the particulate filter 22 can be promoted.
[0054]
Cerium Ce takes in oxygen when the air-fuel ratio is lean (Ce2O3→ 2 CeO2), Release active oxygen when the air-fuel ratio becomes rich (2 CeO2→ Ce2O3) Function. Therefore, when cerium Ce is used as the oxygen storage / active oxygen release agent 61, the fine particles are oxidized by the active oxygen released from the oxygen storage / active oxygen release agent 61 when the fine particles adhere to the particulate filter 22 when the air-fuel ratio is lean. When the air-fuel ratio becomes rich, a large amount of active oxygen is released from the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61, so that the fine particles are oxidized. Therefore, even when cerium Ce is used as the oxygen storage / active oxygen release agent 61, the oxidation reaction of the fine particles on the particulate filter 22 can be promoted by occasionally switching the air-fuel ratio from lean to rich occasionally. Tin or the like can be used as the oxygen storage / active oxygen release agent 61 in addition to cerium Ce.
[0055]
FIG. 6 shows an example of an engine operation control routine. Referring to FIG. 6, first, in step 100, it is determined whether or not the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 should be made rich. When it is not necessary to make the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 rich, the opening of the throttle valve 17 is controlled in step 101 so that the amount M of discharged particulates becomes smaller than the amount G of particulates that can be removed by oxidation. The opening of the control valve 25 is controlled, and in step 103, the fuel injection amount is controlled.
[0056]
On the other hand, when it is determined in step 100 that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 should be made rich, the opening of the throttle valve 17 is controlled in step 104 so that the EGR rate becomes 65% or more. In step, the opening degree of the EGR control valve 25 is controlled, and the fuel injection amount is controlled in step 106 so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes rich.
[0057]
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 SO3  In the presence of calcium sulfate CaSO4  Generate This calcium sulfate CaSO4  Is a solid and does not thermally decompose at high temperatures. Therefore, calcium sulfate CaSO4  Is produced, this calcium sulfate CaSO4  As a result, the pores of the particulate filter 22 are closed, and as a result, it becomes difficult for the exhaust gas to flow through the particulate filter 22. 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 61.3  Combines with potassium K to form potassium sulfate K2  SO4  And calcium Ca is SO3  The exhaust gas flows through the partition wall 54 of the particulate filter 22 into the exhaust gas outlet passage 51 without being combined with the exhaust gas. Therefore, the pores of the particulate filter 22 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.
[0058]
FIG. 7 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 according to the first and second embodiments. As shown in FIG. 7, when this routine is started, first, in step 200, it is determined whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has decreased. If the determination is YES, the process proceeds to step 201, and if the determination is NO, the routine ends. In step 201, the operating conditions of the internal combustion engine are changed to make the exhaust gas high in temperature and rich in order to restore the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61.
[0059]
According to the above-described first and second embodiments, the oxygen storage / active oxygen release agent 61 carried on the particulate filter 22 captures and holds oxygen when excess oxygen exists in the surroundings ( As shown in FIG. 3 (A), when the surrounding oxygen concentration decreases, the retained oxygen is released in the form of active oxygen (see FIG. 3 (B)). Therefore, unlike the conventional case, the fine particles 62 are deposited on the particulate filter 22 in a stacked manner, unlike the conventional method in which the fine particles are deposited on the particulate filter and then removed by emitting a bright flame. Before (before the residual fine particle portion 63 in FIG. 4), the fine particles 62 can be oxidized and removed by the active oxygen O released by the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 without emitting a bright flame.
[0060]
Further, according to the first and second embodiments described above, when it is determined in step 200 that the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has decreased, in step 201, the exhaust gas is heated to a high temperature and rich. Is done. As a result, it is possible to recover the active oxygen releasing ability required to release the active oxygen O for oxidizing and removing the fine particles 62.
[0061]
Hereinafter, a third embodiment of the exhaust gas purification device for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration and operation of this embodiment are almost the same as those of the first and second embodiments described with reference to FIGS. FIG. 8 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 of the present embodiment. As shown in FIG. 8, when this routine is started, first, in step 300, it is determined whether or not the fuel consumption integrated value F read from the RAM 33 during the lean operation of the internal combustion engine has exceeded a predetermined threshold value F1. Is done. In the case of YES, the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has been continuously storing oxygen under the lean operation, but the active oxygen releasing ability of the oxygen storing / active oxygen releasing agent 61 is insufficient because the opportunity to release the active oxygen is insufficient. Is determined to have decreased, and the routine proceeds to step 201. On the other hand, in the case of NO, it is determined that the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has not been reduced because the active oxygen is released by the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61, and this routine is executed. finish. In step 201, the operating conditions of the internal combustion engine are changed to make the exhaust gas high in temperature and rich in order to restore the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61.
[0062]
According to this embodiment, substantially the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. Further, according to this embodiment, when it is determined in step 300 that the fuel consumption integrated value F during the lean operation has exceeded the threshold value F1, in step 201, the exhaust gas is made rich and rich. The fuel contains a sulfur component that reduces the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61, and this sulfur component is not sufficiently decomposed if the opportunity to release active oxygen is insufficient. Therefore, by judging whether or not the fuel consumption integrated value F during the lean operation in which oxygen is to be stored has exceeded the threshold value F1, that is, there is a sufficient opportunity to release active oxygen to decompose the sulfur component. By determining whether or not there is, it is possible to accurately determine whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has decreased.
[0063]
Hereinafter, a fourth embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration and operation of this embodiment are almost the same as those of the first and second embodiments described with reference to FIGS. FIG. 9 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 of the present embodiment. As shown in FIG. 9, when this routine is started, first, in step 400, it is determined whether or not the sulfur emission amount SA during the lean operation of the internal combustion engine has exceeded a predetermined threshold value TSA. If YES, it is determined that the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has been poisoned by S and the active oxygen releasing ability has decreased, and the routine proceeds to step 201. On the other hand, if NO, it is determined that the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has not been poisoned by S and the active oxygen releasing ability has not decreased, and this routine ends. In step 201, the operating conditions of the internal combustion engine are changed to make the exhaust gas high in temperature and rich in order to restore the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61.
[0064]
According to this embodiment, substantially the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. Further, according to the present embodiment, when it is determined in step 400 that the sulfur emission amount SA during the lean operation has exceeded the threshold value TSA, in step 201, the exhaust gas is made high temperature and rich. Since the sulfur content that lowers the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 varies depending on the fuel, it is determined in step 400 whether the sulfur discharge amount SA during the lean operation has exceeded the threshold value TSA. Accordingly, the active oxygen of the oxygen storage / active oxygen release agent 61 is more accurately than the third embodiment in which it is determined whether or not the fuel consumption integrated value F during the lean operation to store oxygen exceeds the threshold value F1. It can be determined whether the release capacity has decreased.
[0065]
Hereinafter, a fifth embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration and operation of this embodiment are almost the same as those of the first and second embodiments described with reference to FIGS. FIG. 10 shows a change in output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 10) is changed by changing the opening degree of the throttle valve 17 and the EGR rate during the low load operation of the engine, and smoke, HC, An experimental example showing a change in CO and NOx emissions is shown. As can be seen from FIG. 10, in this experimental example, the EGR rate increases as the air-fuel ratio A / F decreases, and the EGR rate is 65% or more when the air-fuel ratio is equal to or less than the stoichiometric air-fuel ratio (比 14.6). As shown in FIG. 10, when the air-fuel ratio A / F is reduced by increasing the EGR rate, the amount of smoke generated when the EGR rate becomes about 40% and the air-fuel ratio A / F becomes about 30 is reduced. Start growing. 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 is slightly reduced, and the amount of generated NOx is considerably reduced. On the other hand, at this time, the generation amounts of HC and CO begin to increase.
[0066]
FIG. 11A shows a change in combustion pressure in the combustion chamber 5 when the air-fuel ratio A / F is around 21 and the amount of generated smoke is the largest, and FIG. 11B shows an air-fuel ratio A / F of 18. The graph shows changes 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. 11 (A) and FIG. 11 (B), FIG. 11 (B) in which the amount of smoke generation is almost zero is shown in FIG. 11 (A) where the amount of smoke generation is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than in the case.
[0067]
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, the amount of generated NOx is considerably reduced as shown in FIG. The decrease in the amount of generated NOx 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 has decreased when little soot is generated. . The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 11B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
[0068]
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 emitted without growing to soot. That is, the linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons contained in the fuel as shown in FIG. 12 are thermally decomposed when the temperature is increased in a state of lack of oxygen, so that a precursor of soot is formed. A soot consisting of a solid aggregate of carbon atoms is produced. In this case, the actual soot generation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor takes, but in any case, the hydrocarbon as shown in FIG. It will grow to soot. Therefore, as described above, when the generation amount of soot becomes almost zero, the emission amounts of HC and CO increase as shown in FIG. 10, but HC at this time is a soot precursor or a hydrocarbon in a state before it. .
[0069]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 10 and 11, when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, the amount of soot generation becomes almost zero. The hydrocarbon will be discharged from the combustion chamber 5. As a result of further detailed experimental research on this fact, 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. 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.
[0070]
By the way, the temperature of the fuel and its surroundings 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 and the compression ratio of the air-fuel ratio. Although it cannot be said how many times, this certain temperature is closely related to the amount of NOx generated, so that this certain temperature can be defined to some extent from the amount of NOx generated. That is, as the EGR rate increases, the temperature of fuel during combustion and the gas temperature around it decrease, and the amount of generated NOx decreases. At this time, the amount of generated NOx is 10 p. p. When it is less or equal to or less than m, almost no soot is generated. Therefore, at the above-mentioned certain temperature, the amount of generated NOx is 10 p. p. m The temperature almost coincides with the temperature when the temperature becomes lower or higher.
[0071]
Once soot is produced, it cannot be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in the state before the soot can be easily purified by a post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Considering the post-treatment with the catalyst having the oxidation function as described above, it is extremely difficult to discharge hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the state of the precursor of soot or in the state before the soot or in the form of soot from the combustion chamber 5. There is a big difference. The new combustion system employed in the present invention discharges hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the form of a precursor or previous soot without producing soot in the combustion chamber 5 and removing the hydrocarbons. The core is to oxidize with a catalyst having an oxidation function.
[0072]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons before 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 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.
[0073]
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.
[0074]
In this case, controlling the temperature of the fuel and its surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated requires an amount of an inert gas that can absorb a sufficient amount of 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, CO2  Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as the inert gas.
[0075]
FIG. 13 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. 13, a curve A shows a case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at about 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. 13, 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. 13, when the EGR gas is slightly cooled, the soot generation amount 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. When the EGR gas is not forcibly cooled as shown by the curve C in FIG. 13, the amount of soot generation reaches a peak near the EGR rate of 55%, and in this case, the EGR rate becomes approximately 70%. Above a percentage, soot is hardly generated. FIG. 13 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load is reduced, the EGR rate at which the amount of soot peaks slightly decreases, and the EGR rate at which soot is hardly generated is shown. Also lowers slightly. As described above, the lower limit of the EGR rate at which almost no soot is generated varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0076]
FIG. 14 shows a mixed gas amount of the EGR gas and the air necessary for setting the fuel temperature during combustion and the surrounding gas temperature to a temperature lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas; Further, the ratio of air in the mixed gas amount and the ratio of EGR gas in the mixed gas are shown. In FIG. 14, the vertical axis indicates the total intake gas amount drawn into the combustion chamber 5, and the dashed line Y indicates the total intake gas amount that can be drawn into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. ing. The horizontal axis shows the required load.
[0077]
Referring to FIG. 14, the proportion of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air required to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 14, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, in FIG. 14, the ratio of the EGR gas, that is, the amount of the EGR gas in the mixed gas, is set so that when the injected fuel is burned, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lower than the temperature at which soot is formed. The minimum required 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. 6, 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. At this time, the NOx generation amount is 10 p. p. m or less, so the amount of NOx generated is extremely small.
[0078]
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 its 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. 14, 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. 14, in a region where the required load is larger than Lo in FIG. Unless the EGR gas ratio is reduced, the air-fuel ratio cannot be maintained at the stoichiometric air-fuel ratio. In other words, when the supercharge is not performed, and when the required air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio in a region where the required load is larger than Lo, the EGR rate decreases as the required load increases. In a region where the required load is larger than Lo, the temperature of the fuel and the surrounding gas cannot be maintained at a temperature lower than the temperature at which soot is generated.
[0079]
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 intake pipe of the exhaust turbocharger, the EGR rate is increased to 55% or more, for example, 70% in a region where the required load is larger than Lo. Percent and thus the temperature of the fuel and its surrounding gas can be kept 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 its surrounding gas 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. When the EGR rate is set to 55% or more in a region where the required load is larger than Lo, the EGR control valve is fully opened and the throttle valve is slightly closed.
[0080]
As described above, FIG. 14 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. NOx generation is reduced to 10 p. p. m or less, and even if the air amount is larger than the air amount shown in FIG. 14, that is, even if the average value of the air-fuel ratio is 17 to 18 lean, soot generation is prevented. While the amount of generated NOx is 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, only a very small amount of NOx 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, so that the soot is reduced. Not generated at all. Further, only a very small amount of NOx 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, The generation amount of NOx becomes 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 lean at this time.
[0081]
By the way, the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion in the combustion chamber can be suppressed to a temperature at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway, only during low load operation in the engine, which generates a relatively small amount of heat by combustion. Accordingly, in the embodiment according to the present invention, the first combustion, that is, the low-temperature combustion is performed by suppressing the temperature of the fuel during combustion and the gas temperature around the same at or below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops halfway during the low load operation in the engine. In addition, the second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is performed during the high load operation of the engine. Here, the first combustion, that is, the low-temperature combustion, has a larger amount of the inert gas in the combustion chamber than the amount of the inert gas at which the generation amount of soot is a peak, as is apparent from the description so far, and almost all the soot is generated. The second combustion, that is, the combustion that has been performed conventionally, is a combustion in which the amount of the inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of the inert gas at which the amount of soot is peaked. Say that.
[0082]
FIG. 15 shows a first operation region I ′ in which first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second operation region II ′, in which second combustion, that is, combustion by a conventional combustion method, is performed. . In FIG. 15, the vertical axis L indicates the amount of depression of the accelerator pedal 50, that is, the required load, and the horizontal axis N indicates the engine speed. In FIG. 15, X (N) indicates a first boundary between the first operation region I ′ and the second operation region II ′, and Y (N) indicates a first boundary between the first operation region I ′ and the second operation region II ′. 2 shows a second boundary with the second operating region II ′. The determination of the change of the operation region from the first operation region I 'to the second operation region II' is made based on the first boundary X (N), and the change from the second operation region II 'to the first operation region. The determination of the change of the operating range to I 'is made based on the second boundary Y (N). That is, if the required load L exceeds a first boundary X (N), which is a function of the engine speed N, when the operating state of the engine is in the first operating region I 'and low-temperature combustion is being performed. It is determined that the region has shifted to the second operation region II ', and combustion is performed by a conventional combustion method. Next, when the required load L becomes lower than a second boundary Y (N) which is a function of the engine speed N, it is determined that the operation region has shifted to the first operation region I ', and low-temperature combustion is performed again.
[0083]
The two boundaries of the first boundary X (N) and the second boundary Y (N) on the lower load side than the first boundary X (N) are provided for the following two reasons. . The first reason is that the combustion temperature is relatively high on the high load side of the second operation region II ′, and even if the required load L becomes lower than the first boundary X (N), low-temperature combustion can be performed immediately. Because there is no. That is, the low-temperature combustion does not start immediately unless the required load L becomes considerably low, that is, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N). The second reason is that hysteresis is provided for a change in the operation range between the first operation range I 'and the second operation range II'.
[0084]
By the way, when the operation region of the engine is in the first operation region I ′ and low-temperature combustion is being performed, soot is hardly generated, and instead, the unburned hydrocarbon is in the form of a precursor of soot or a state before it. This is discharged from the combustion chamber 5. At this time, the unburned hydrocarbon discharged from the combustion chamber 5 is oxidized well by a catalyst (not shown) having an oxidizing function. As this catalyst, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, or a NOx absorbent can be used. The NOx absorbent has a function of absorbing NOx when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is lean, and releasing NOx when the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes rich. The NOx absorbent uses, for example, alumina as a carrier, and on the carrier, for example, alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, alkaline earths such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y And at least one noble metal such as platinum Pt. Not only the oxidation catalyst but also the three-way catalyst and the NOx absorbent have an oxidation function. Therefore, the three-way catalyst and the NOx absorbent can be used as the above-mentioned catalyst as described above.
[0085]
FIG. 16 shows the output of an air-fuel ratio sensor (not shown). As shown in FIG. 16, the output current I of the air-fuel ratio sensor changes according to the air-fuel ratio A / F. Therefore, the air-fuel ratio can be known from the output current I of the air-fuel ratio sensor.
[0086]
Next, the operation control in the first operation region I 'and the second operation region II' will be schematically described with reference to FIG. FIG. 17 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. 17, in the first operation region I '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 opening of the EGR control valve 25 is gradually increased from near fully closed to fully open as the required load L increases. In the example shown in FIG. 17, in the first operation region I ', the EGR rate is set to approximately 70%, and the air-fuel ratio is set to a slightly lean air-fuel ratio.
[0087]
In other words, in the first operation region I ′, the opening of the throttle valve 17 and the opening of the EGR control valve 25 are controlled such that the EGR rate becomes approximately 70% and the air-fuel ratio becomes a slightly lean air-fuel ratio. . In the first operation region I ', fuel injection is performed before the compression top dead center TDC. In this case, the injection start timing θS is delayed as the required load L is increased, and the injection completion timing θE is delayed as the injection start timing θS is delayed. 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.
[0088]
On the other hand, when the operating region of the engine changes from the first operating region I 'to the second operating region II', the opening of the throttle valve 20 is increased stepwise from about 2/3 opening toward the fully open direction. At this time, in the example shown in FIG. 17, the EGR rate is decreased 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. 13) in which a large amount of smoke is generated, a large amount of smoke is generated when the operation region of the engine changes from the first operation region I ′ to the second operation region II ′. I can't. In the second operation region II ', conventional combustion is performed. In the second operation region II ', the throttle valve 17 is maintained in a fully opened state except for a part, and the opening of the EGR control valve 25 is gradually reduced as the required load L increases. In this operating region II ', the EGR rate decreases as the required load L increases, and the air-fuel ratio decreases as the required load L increases. However, the air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio even when the required load L increases. In the second operation region II ', the injection start timing [theta] S is set near the compression top dead center TDC.
[0089]
FIG. 18A shows the target air-fuel ratio A / F in the first operation region I '. In FIG. 18 (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. 18A, the air-fuel ratio is lean in the first operation region I ′, and the target air-fuel ratio A / F becomes leaner as the required load L decreases in the first operation region I ′. It is said. 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. 18A, 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. .
[0090]
The target air-fuel ratio A / F shown in FIG. 18A is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. 18B. . Also, as shown in FIG. 19A, 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. 18A is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 19 (B), a map is stored in advance in the ROM 32 as a function of the required load L and the engine speed N.
[0091]
FIG. 20A shows the target air-fuel ratio A / F when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 20A, 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. 20A is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. Also, as shown in FIG. 21A, the target opening ST of the throttle valve 17 required to set 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. 20A is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of N. As shown in FIG. 21 (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.
[0092]
Further, when the second combustion is being performed, the fuel injection amount Q is calculated based on the required load L and the engine speed N. The 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.
[0093]
Next, the operation control of the present embodiment will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 23, first, in step 2100, it is determined whether or not a flag I indicating that the operation state of the engine is in the first operation region I 'is set. When the flag I is set, that is, when the operating state of the engine is in the first operating region I ', the process proceeds to step 2101 to determine whether the required load L has become larger than the first boundary X (N). Is determined. When L ≦ X (N), the routine proceeds to step 2103, where low-temperature combustion is performed. On the other hand, when it is determined in step 2101 that L> X (N), the routine proceeds to step 2102, where the flag I is reset. Then, the routine proceeds to step 2109, where the second combustion is performed.
[0094]
When it is determined in step 2100 that the flag I indicating that the operation state of the engine is in the first operation area I ′ is not set, that is, when the operation state of the engine is in the second operation area II ′, Proceeding to step 2108, it is determined whether the required load L has become lower than the second boundary Y (N). When L ≧ Y (N), the process proceeds to step 2110, where the second combustion is performed under a lean air-fuel ratio. On the other hand, when it is determined in step 2108 that L <Y (N), the routine proceeds to step 2109, where the flag I is set, and then proceeds to step 2103 to perform low-temperature combustion.
[0095]
In step 2103, the target opening ST of the throttle valve 17 is calculated from the map shown in FIG. 19A, and the opening of the throttle valve 17 is set to the target opening ST. Next, at step 2104, the target opening SE of the EGR control valve 25 is calculated from the map shown in FIG. 19B, and the opening of the EGR control valve 25 is set to this target opening SE. Next, at step 2105, the mass flow rate (hereinafter, simply referred to as "intake air amount") Ga of the intake air detected by the mass flow rate detector (not shown) is taken in. Then, at step 2106, the map shown in FIG. From the target air-fuel ratio A / F. Next, at step 2107, a 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.
[0096]
As described above, when the required load L or the engine speed N changes during low-temperature combustion, the opening of the throttle valve 17 and the opening of the EGR control valve 25 are immediately changed according to the required load L and the engine speed N. Target opening degrees ST, SE. Therefore, for example, when the required load L is increased, the amount of air in the combustion chamber 5 is immediately increased, and thus the torque generated by the engine is immediately increased. On the other hand, when the opening of the throttle valve 17 or the opening of the EGR control valve 25 changes to change the amount of intake air, the change in the amount of intake air Ga is detected by the mass flow rate detector, and the detected amount of intake air Ga Is controlled based on the fuel injection amount Q. That is, the fuel injection amount Q is changed after the intake air amount Ga actually changes.
[0097]
In step 2110, the target fuel injection amount Q is calculated from the map shown in FIG. 22, and the fuel injection amount is set as the target fuel injection amount Q. Next, at step 2111, the target opening ST of the throttle valve 17 is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 2112, the target opening SE of the EGR control valve 25 is calculated from the map shown in FIG. 21 (B), and the opening of the EGR control valve 25 is set to this target opening SE. Next, at step 2113, the intake air amount Ga detected by the mass flow rate detector is taken. Next, at step 2114, the actual air-fuel ratio (A / F) is calculated from the fuel injection amount Q and the intake air amount Ga.R  Is calculated. Next, at step 2115, the target air-fuel ratio A / F is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 2116, the actual air-fuel ratio (A / F)R  Is larger than the target air-fuel ratio A / F. (A / F)R  If> A / F, the routine proceeds to step 2117, where the throttle opening correction value ΔST is decreased by a constant value α, and then the routine proceeds to step 2119. (A / F)R  When ≦ A / F, the routine proceeds to step 2118, where the correction value ΔST is increased by a constant value α, and then the routine proceeds to step 2119. In step 2119, 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 set as the final target opening ST. That is, the actual air-fuel ratio (A / F)R  Is controlled to the target air-fuel ratio A / F.
[0098]
As described above, when the required load L or the engine speed N changes during the second combustion, the fuel injection amount is immediately matched with the target fuel injection amount Q corresponding to the required load L and the engine speed N. For example, when the required load L is increased, the fuel injection amount is immediately increased, and thus the torque generated by the engine is immediately increased. On the other hand, when the fuel injection amount Q is increased and the air-fuel ratio deviates from the target air-fuel ratio A / F, the opening of the throttle valve 20 is controlled so that the air-fuel ratio becomes the target air-fuel ratio A / F. That is, the air-fuel ratio is changed after the fuel injection amount Q changes.
[0099]
In the embodiments described so far, the fuel injection amount Q is subjected to open-loop control during low-temperature combustion, and the air-fuel ratio changes the opening of the throttle valve 20 during second combustion. Is controlled by However, the fuel injection amount Q can be feedback-controlled based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 27 when the low-temperature combustion is being performed, and the air-fuel ratio can be controlled by the EGR control when the second combustion is being performed. The control can also be performed by changing the opening of the valve 31.
[0100]
FIG. 24 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 of the present embodiment. As shown in FIG. 24, when this routine is started, first, in step 200, it is determined whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has decreased. If YES, the process proceeds to step 500, and if NO, this routine is ended. In step 500, in order to restore the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61, the low-temperature combustion described above to make the exhaust gas high temperature and rich, that is, the EGR gas amount at which the generation amount of soot becomes a peak The combustion (see FIG. 13) in which the amount of EGR gas supplied into the combustion chamber 5 is larger than that of the combustion chamber 5 and little soot is generated is executed.
[0101]
According to this embodiment, substantially the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. Further, according to the present embodiment, the amount of EGR gas as the inert gas supplied into the combustion chamber 5 is larger than the amount of EGR gas as the inert gas at which the amount of generated soot becomes a peak, and soot is almost generated. By performing the non-combustion, the exhaust gas is made high in temperature and rich, and the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 is restored. As a result, the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 can be prevented while preventing the amount of soot from being generated near the peak due to high temperature and rich exhaust gas (see FIG. 13). Can be recovered.
[0102]
Hereinafter, a sixth embodiment of the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration and operation of the present embodiment are substantially the same as those of the first, second, and fifth embodiments described with reference to FIGS. In the present embodiment, the particulate filter 222 shown in FIGS. 25 and 26 is used instead of using the particulate filter 22 shown in FIG. FIG. 25 is an enlarged view of the particulate filter 222. More specifically, FIG. 25A is an enlarged plan view of the particulate filter, and FIG. 25B is an enlarged side view of the particulate filter. In FIG. 25, the particulate filter 222 is configured to allow the exhaust gas to flow in both the forward flow direction and the backward flow direction. Reference numeral 223 denotes a casing having the built-in particulate filter 222, 271 denotes a first passage serving as an upstream passage of the particulate filter 222 when the exhaust gas passes through the particulate filter 222 in the forward flow direction, and 272 denotes a particulate filter provided with the exhaust gas. This is a second passage that serves as an upstream passage of the particulate filter 222 when passing through the 222 in the reverse flow direction. An exhaust switching valve 273 switches the flow of the exhaust gas between a forward flow direction, a backward flow direction, and a bypass state.
[0103]
FIG. 26 is a diagram showing the relationship between the switching position of the exhaust switching valve and the flow of exhaust gas. More specifically, FIG. 26A is a diagram when the exhaust switching valve 273 is in the forward flow position, FIG. 10B is a diagram when the exhaust switching valve 273 is in the reverse flow position, and FIG. FIG. 14 is a diagram when the valve 273 is at a bypass position. When the exhaust switching valve 273 is in the forward flow position, as shown in FIG. 10A, the exhaust gas that has passed through the exhaust switching valve 273 and flowed into the casing 223 first passes through the first passage 271, and then passes through the first passage 271. After passing through the curate filter 222, finally passes through the second passage 272, passes through the exhaust switching valve 273 again, and is returned to the exhaust pipe. When the exhaust switching valve 273 is in the reverse flow position, as shown in FIG. 10B, the exhaust gas that has passed through the exhaust switching valve 273 and flowed into the casing 223 first passes through the second passage 272, and then passes through the The light passes through the curated filter 222 in the opposite direction to that shown in FIG. 10A, finally passes through the first passage 271, passes through the exhaust switching valve 273 again, and returns to the exhaust pipe. When the exhaust switching valve 273 is in the bypass position, the pressure in the first passage 271 and the pressure in the second passage 272 become equal as shown in FIG. The exhaust gas passes through the exhaust switching valve 273 without flowing into the casing 223.
[0104]
FIG. 27 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 of the present embodiment. As shown in FIG. 27, when this routine is started, first, in step 200, it is determined whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 has decreased. If the determination is YES, the process proceeds to step 600, and if the determination is NO, the routine ends. In step 600, it is determined whether the operating condition of the internal combustion engine is an operating condition capable of executing low-temperature combustion, that is, whether the operating condition of the internal combustion engine is within the first operating region I 'shown in FIG. Is determined. If YES, the process proceeds to step 500, and if NO, the process proceeds to step 601. In step 500, in order to restore the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61, the low-temperature combustion described above to make the exhaust gas high temperature and rich, that is, the EGR gas amount at which the generation amount of soot becomes a peak The combustion (see FIG. 13) in which the amount of EGR gas supplied into the combustion chamber 5 is larger than that of the combustion chamber 5 and little soot is generated is executed. On the other hand, in step 601, the exhaust gas is bypassed. That is, as shown in FIG. 10C, the exhaust switching valve 273 is disposed at the bypass position, and the exhaust gas that has reached the exhaust switching valve 273 is allowed to pass through the exhaust switching valve 273 without flowing into the casing 223.
[0105]
According to this embodiment, substantially the same effects as those of the first, second, and fifth embodiments can be obtained. Further, according to the present embodiment, when it is determined in step 600 that the internal combustion engine is not operating under low-temperature combustion where little soot is generated, in step 601 the exhaust gas is supplied to the particulate filter 222. Is prohibited and the exhaust gas is bypassed. As a result, the exhaust gas becomes low temperature or lean because it is not possible to perform combustion in which soot is hardly generated. As the low temperature or lean exhaust gas flows through the particulate filter 222, the oxygen storage It is possible to prevent the active oxygen releasing ability of the active oxygen releasing agent 61 from being further reduced without being restored.
[0106]
Hereinafter, a seventh embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration and operation of this embodiment are substantially the same as the configuration and operation of the sixth embodiment described with reference to FIGS. FIG. 28 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 of the present embodiment. As shown in FIG. 28, when this routine is started, first, in step 900, it is determined whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 can be restored. For example, when the operating condition of the internal combustion engine is such that the exhaust gas can be made high temperature and rich, YES is determined, and the routine proceeds to step 901. On the other hand, if NO, the process proceeds to step 601. In step 901, the operating conditions of the internal combustion engine are maintained or changed in order to restore the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61. For example, when the operating condition of the internal combustion engine is within the first operating region I ′ shown in FIG. 15 and the low-temperature combustion is being performed, the low-temperature combustion is continued as it is, and the exhaust gas remains at a high temperature and rich. Will be maintained. On the other hand, when the operating condition of the internal combustion engine is within the first operating region I ′ shown in FIG. 15 and the low-temperature combustion is not being performed, the normal combustion is switched to the low-temperature combustion, and the exhaust gas has a high temperature and richness. To be. In step 601, the exhaust gas is bypassed. That is, as shown in FIG. 10C, the exhaust switching valve 273 is disposed at the bypass position, and the exhaust gas that has reached the exhaust switching valve 273 is allowed to pass through the exhaust switching valve 273 without flowing into the casing 223.
[0107]
According to this embodiment, substantially the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. Furthermore, according to the present embodiment, when it is determined in step 900 that the internal combustion engine is under the operating condition in which the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 cannot be recovered, in step 601 the particulate filter The exhaust gas is prohibited from flowing through the exhaust gas, and the exhaust gas is bypassed. Therefore, although the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 cannot be restored, the exhaust gas flows through the particulate filter 222 and the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 is reduced. It is possible to prevent the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 from further decreasing as recovery is attempted.
[0108]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, unlike the conventional case, the fine particles are deposited on the particulate filter in a layered manner, and then the fine particles are 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.
[0109]
Also,Claim1According to the invention described in the above, by determining whether or not the integrated value of fuel consumption during the lean operation to store oxygen exceeds a predetermined value, the active oxygen release of the oxygen storage / active oxygen releasing agent is determined. It is possible to accurately determine whether or not the ability has decreased.Further, it is possible to recover the active oxygen releasing ability required for releasing active oxygen for oxidizing and removing fine particles.
[0110]
Claim2According to the invention described in the above,Unlike the conventional case where the fine particles are deposited on the particulate filter and then removed by emitting a bright flame, unlike the conventional case, the fine particles are deposited on the particulate filter in an oxygen-free manner. The fine particles can be oxidized and removed by the active oxygen released by the occlusion / active oxygen releasing agent without emitting a bright flame. Also,Since the sulfur content that reduces the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent differs depending on the fuel, by determining whether the sulfur emission has exceeded a predetermined value during lean operation, Whether or not the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent has decreased more accurately than when it is determined whether or not the integrated fuel consumption value during the lean operation in which oxygen is to be stored has exceeded a predetermined value. Can be determined.Further, it is possible to recover the active oxygen releasing ability required for releasing active oxygen for oxidizing and removing fine particles.
[0111]
Claim3According to the invention described in (1), while avoiding that the amount of soot generated near the peak due to high temperature and rich exhaust gas, while reducing the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent Can be recovered.
[0112]
Claim4According to the invention described in the above, exhaust gas becomes low temperature or lean because it is not possible to perform combustion that generates almost no soot, and as the low temperature or lean exhaust gas flows through the particulate filter, Further, it is possible to prevent the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent from being further reduced without being restored.
[0113]
Claim5According to the invention described in (1), the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent is restored.High temperature and rich exhaust gasDespite the inability to do so, the exhaust gas is flown through the particulate filter to attempt to restore the active oxygen release capability of the oxygen storage / active oxygen release agent, and the active oxygen release of the oxygen storage / active oxygen release agent It is possible to prevent the ability from being further reduced.
[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 22.
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 showing an example of an engine operation control routine.
FIG. 7 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 of the first and second embodiments.
FIG. 8 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 according to the third embodiment.
FIG. 9 is a flowchart showing a method of controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 according to the fourth embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing amounts of smoke and NOx generated.
FIG. 11 is a diagram showing a combustion pressure.
FIG. 12 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a generation amount of smoke and an EGR rate.
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between an injected fuel amount and a mixed gas amount.
FIG. 15 is a diagram showing a first operation region I 'and a second operation region II'.
FIG. 16 is a diagram showing an output of an air-fuel ratio sensor.
FIG. 17 is a diagram showing an opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 18 is a diagram illustrating an air-fuel ratio and the like in a first operation region I ′.
FIG. 19 is a view showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 20 is a diagram showing an air-fuel ratio and the like in the second combustion.
FIG. 21 is a diagram showing a map of a target opening degree of a throttle valve and the like.
FIG. 22 is a diagram showing a map of a fuel injection amount.
FIG. 23 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 24 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 according to the fifth embodiment.
FIG. 25 is an enlarged view of a particulate filter.
FIG. 26 is a diagram showing a relationship between a switching position of an exhaust switching valve and a flow of exhaust gas.
FIG. 27 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 according to the sixth embodiment.
FIG. 28 is a flowchart showing a method for controlling the recovery of the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent 61 according to the seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
5. Combustion chamber
6 ... Fuel injection valve
20 ... exhaust pipe
22 ... Particulate filter
25 ... EGR control valve

Claims (5)

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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、
リーン運転時において燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置。In an exhaust purification device for an internal combustion engine, a particulate filter for removing particulates in exhaust gas discharged from a combustion chamber in an engine exhaust passage is provided.
The particulate filter carries an oxygen storage / active oxygen releasing agent that 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. And
An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, wherein when an integrated fuel consumption value exceeds a predetermined value during a lean operation, it is determined that the active oxygen release capability has decreased, and the exhaust gas is made high in temperature and rich. 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、In an exhaust purification device for an internal combustion engine, a particulate filter for removing particulates in exhaust gas discharged from a combustion chamber in an engine exhaust passage is provided.
前記パティキュレートフィルタは、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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、  The particulate filter carries an oxygen storage / active oxygen releasing agent that 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. And
リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置。  An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, wherein when the sulfur emission exceeds a predetermined value during a lean operation, it is determined that the active oxygen release capacity has decreased, and the exhaust gas is made high temperature and rich. 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およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、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燃焼を、前記燃焼室内における平均空燃比がリッチになるように燃料噴射量を制御して行うことによって排気ガスを高温かつリッチにし、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させる請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。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, Using an internal combustion engine in which the temperature of the fuel at the time of combustion in the combustion chamber and its surrounding gas is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, and the amount of generated soot is smaller than the amount of the inert gas at which the soot is peaked. The amount of the inert gas supplied into the combustion chamber is large, soot is hardly generated, and the combustion is performed by controlling the fuel injection amount so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber becomes rich. 3. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust gas purification device is made rich to restore the active oxygen releasing ability of the oxygen storage / active oxygen releasing agent. 前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。4. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 3, wherein flowing of exhaust gas to the particulate filter is prohibited when operating conditions of the internal combustion engine that cannot perform combustion that generates little soot. 排気ガスを高温かつリッチにすることができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのを禁止するようにした請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。3. The exhaust gas purification of an internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust gas is prohibited from flowing through the particulate filter when operating conditions of the internal combustion engine that cannot make the exhaust gas high temperature and rich. apparatus.
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