JP3580223B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は６００℃程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、６００℃よりもかなり低い。従って排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるのは困難であり、排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるためには微粒子の着火温度を低くしなければならない。
【０００３】
ところで従来よりパティキュレートフィルタ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下できることが知られており、従って従来より微粒子の着火温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレートフィルタが公知である。例えば特公平７−１０６２９０号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたパティキュレートフィルタが開示されている。このパティキュレートフィルタではほぼ３５０℃から４００℃の比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関では負荷が高くなれば排気ガス温が３５０℃から４００℃に達し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火燃焼せしめることができるように見える。しかしながら実際には排気ガス温が３５０℃から４００℃に達しても微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
【０００５】
即ち、排気ガス中に含まれる微粒子量が少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が３５０℃から４００℃になるとパティキュレートフィルタ上の微粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。
しかしながら排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子は燃焼せしめられるが酸素と接触しずらい残りの微粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることになる。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けることになる。
【０００６】
一方、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積するとこれら堆積した微粒子は次第に着火燃焼しずらくなる。このように燃焼しずらくなるのはおそらく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しずらいグラフィイト等に変化するからであると考えられる。事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると３５０℃から４００℃の低温では堆積した微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるためには６００℃以上の高温が必要となる。しかしながらディーゼル機関では通常、排気ガス温が６００℃以上の高温になることがなく、従ってパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によって堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
【０００７】
一方、このとき排気ガス温を６００℃以上の高温にすることができたとすると堆積した微粒子は着火するがこの場合には別の問題を生ずる。即ち、この場合、堆積した微粒子は着火せしめられると輝炎を発して燃焼し、このときパティキュレートフィルタの温度は堆積した微粒子の燃焼が完了するまで長時間に亘り８００℃以上に維持される。しかしながらこのようにパティキュレートフィルタが長時間に亘り８００℃以上の高温にさらされるとパティキュレートフィルタが早期に劣化し、斯くしてパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【０００８】
また、堆積した微粒子が燃焼せしめられるとアッシュが凝縮して大きな塊まりとなり、これらアッシュの塊まりによってパティキュレートフィルタの細孔が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【０００９】
このように多量の微粒子が一旦積層状に堆積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、従って排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて多量の微粒子が積層状に堆積しないようにする必要がある。しかしながら上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスについては何ら考えておらず、斯くして上述したように種々の問題を生じることになる。
【００１０】
また、上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス温が３５０℃以下になると微粒子は着火されず、斯くしてパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積する。この場合、堆積量が少なければ排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が燃焼せしめられるが多量の微粒子が積層状に堆積すると排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が着火せず、たとえ着火したとしても一部の微粒子は燃焼しないために燃え残りが生じる。
【００１１】
この場合、多量の微粒子が積層状に堆積する前に排気ガス温を上昇させれば堆積した微粒子を燃え残ることなく燃焼せしめることができるが上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタではこのようなことは何ら考えておらず、斯くして多量の微粒子が積層状に堆積した場合には排気ガス温を６００℃以上に上昇させない限り、堆積した全微粒子を燃焼させることができない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明では、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、パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少ない機関運転状態のときに加速運転が行われたときには排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少くなるように排出微粒子量を減少させるか又はパティキュレートフィルタの温度を上昇させるかの少くとも一方の制御を行うようにしている。
【００１３】
２番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持している。
３番目の発明では２番目の発明において、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
【００１４】
４番目の発明では３番目の発明において、活性酸素放出剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる。
５番目の発明では４番目の発明において、アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる。
６番目の発明では３番目の発明において、活性酸素放出剤は、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_ｘ を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_ｘ を放出する機能を有している。
【００１７】
７番目の発明では１番目の発明において、排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の制御は加速運転が終了したときに終了する。
８番目の発明では１番目の発明において、排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の制御は加速運転が終了した後も継続して行われる。
９番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、加速運転が終了した後に排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方を制御する。
【００１８】
１０番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、加速運転が行われているときに排出微粒子量が減少するように制御し、次いでパティキュレートフィルタの温度が上昇するように制御する。
【００２０】
１１番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、排気ガス温が上昇するように燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させる。
１２番目の発明では１１番目の発明において、制御手段は、主燃料の噴射時期を遅角させるか、又は主燃料に加え補助燃料を噴射することによって排気ガス温を上昇させる。
【００２１】
１３番目の発明では１番目の発明において、機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、制御手段は、再循環排気ガス量を煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも多くすることによって排気ガス温を上昇させ、それによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにしている。
【００２２】
１４番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に炭化水素供給装置を配置し、炭化水素供給装置から排気通路内に炭化水素を供給することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにしている。
１５番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に排気制御弁を配置し、排気制御弁を閉弁することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにしている。
【００２３】
１６番目の発明では１番目の発明において、排気タービンを迂回する排気ガス量を制御するためのウエストゲートバルブを備えた排気ターボチャージャを具備しており、ウエストゲートバルブを開弁することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにしている。
１７番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときには燃料噴射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧又は補助燃料の噴射を制御することによって排出微粒子量を減少させる。
【００２４】
１８番目の発明では１番目の発明において、吸入空気を過給するための過給手段を具備し、制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときに過給圧を増大させることによって排出微粒子量を減少させる。
１９番目の発明では１番目の発明において、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときに排気ガス再循環率を減少させることによって排出微粒子量を減少させる。
【００２５】
２０番目の発明では１番目の発明において、制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときに排気ガス中の酸素濃度を高めることによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させる。
２１番目の発明では２０番目の発明において、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、制御手段は、排気ガス再循環率を減少させることによって排気ガス中の酸素濃度を高くする。
【００２６】
２２番目の発明では２０番目の発明において、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給するための２次空気供給装置を具備し、制御手段は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給することによって排気ガス中の酸素濃度を高くする。
２３番目の発明では１番目の発明において、加速運転が行われたと判断されたときにパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比制御手段を具備している。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口はパティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【００３０】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２６内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００３１】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、パティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取付けられ、この温度センサ３９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。また、入力ポート３５には車速センサ４３の車速を表す出力信号が入力される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、および燃料ポンプ２８に接続される。
【００３２】
図２（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を示している。なお、図２（Ａ）において各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求トルクが高くなる。図２（Ａ）に示される要求トルクＴＱは図２（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。本発明による実施例では図２（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【００３３】
図３にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図３において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気ガス流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気ガス流出通路５１とにより構成される。なお、図３（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００３４】
パティキュレートフィルタ２２は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図３（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒、および周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されている。
【００３５】
この場合、本発明による実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、および遷移金属から選ばれた少くとも一つが用いられている。
【００３６】
なお、この場合活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
次にパティキュレートフィルタ２２による排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【００３７】
図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路、燃焼室５および排気通路内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室５内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ_２ となる。従って排気ガス中にはＳＯ_２ が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ_２ 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。
【００３８】
図４（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面および隔壁５４内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図４（Ａ）および（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２ がＯ_２ ⁻ 又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻ 又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２ となる（２ＮＯ＋Ｏ_２ →２ＮＯ_２ ）。次いで生成されたＮＯ_２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ は硝酸カリウムＫＮＯ_３ を生成する。
【００３９】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ_２ も含まれており、このＳＯ_２ もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ_２ がＯ_２ ⁻ 又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ_２ は白金Ｐｔの表面でＯ_２ ⁻ 又はＯ^２−と反応してＳＯ_３ となる。次いで生成されたＳＯ_３ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ_４ ^２− の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ_２ ＳＯ_４ を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ_３ および硫酸カリウムＫ_２ ＳＯ_４ が生成される。
【００４０】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図４（Ｂ）において６２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００４１】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ_３ がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００４２】
一方、このとき活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ_２ ＳＯ_４ もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ_２ とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ_２ が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ_２ は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００４３】
一方、微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ_３ や硫酸カリウムＫ_２ ＳＯ_４ のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏが微粒子６２に接触すると微粒子６２は短時間のう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。なお、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は活性酸素放出剤６１から放出された活性酸素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、特にパティキュレートフィルタ２２の上流において発生せしめられた活性酸素によっても酸化せしめられる。
【００４４】
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。
【００４５】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると本発明ではかなり低い温度でもって微粒子６２が酸化除去せしめられている。従って本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００４６】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。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。
【００４７】
図６の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示している。なお、図６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。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６の領域Ｉでは燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２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。
【００４８】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、即ち図６の領域ＩＩでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図５（Ａ）に示すように微粒子６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図５（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われるようになる。
【００４９】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ_２ の酸化作用および活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図５（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分６３の上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出剤６１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子６４上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２２上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００５０】
このように図６の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図６の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する可能性がある。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くしておく必要がある。
【００５１】
図６からわかるように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２２ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、従って図１に示す圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持することが可能である。従って本発明による実施例においては基本的に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量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ようにしている。
【００５２】
このように排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも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上に微粒子が全く堆積しなくなる。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。
【００５３】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温でもって行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が全く堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００５４】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ_４ によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ_３ が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ_４ を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４ は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ_４ が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４ によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００５５】
しかしながらこの場合、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ_３ はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ_２ ＳＯ_４ を形成し、カルシウムＣａはＳＯ_３ と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【００５６】
さて、本発明による実施例では基本的に全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持している。しかしながら実際にはこのように全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くなるように維持するようにしていても機関の運転状態の急激な変化等の何らの理由によって排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる場合がある。このように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなると前述したようにパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめ、斯くしてパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積しはじめる。
【００５７】
この場合、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積し続けるとその後機関から排出される微粒子をパティキュレートフィルタ２２上において酸化除去するのが困難となり、従って機関から排出される微粒子をパティキュレートフィルタ２２上において継続的に酸化除去するためには排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなったとき、或いはパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子量が予め定められた限界堆積微粒子量を越えたときには堆積した微粒子がすみやかに酸化除去せしめられる状態を作り出さなければならない。なお、上述の限界堆積微粒子量はこれ以上堆積微粒子量が増大し続けると堆積した微粒子をすみやかに酸化除去できなくなる限界の微粒子量を示している。
【００５８】
しかしながら実際には排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなったか否かを正確に判断するのは困難である。
そこで本発明による実施例では酸化除去可能微粒子量よりも排出微粒子量の方が多くなる可能性がある特定の機関運転状態を予め定めておき、機関の運転状態がこの特定の運転状態になったときには実際に排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いか否かにかかわらずに排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなったとみなして堆積した微粒子がすみやかに酸化除去せしめられる状態を作り出すようにしている。
【００５９】
具体的に云うと機関の運転状態が例えば図６の領域Ｉ内のＡ点にあったときに機関の運転状態が特定の運転状態になったとするとこのときにはＡ点から図６の領域ＩＩ内のＢ点に移動したとみなされる。このときパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子を酸化除去するためにＢ点から図６の領域Ｉ内のＣ点となるように排出微粒子量Ｍを減少させるか、又はＢ点から図６の領域Ｉ内のＤ点となるように酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させるか、又はＢ点から図６の領域Ｉ内のＥ点となるように排出微粒子量Ｍを減少させかつ酸化除去可能微粒子量Ｍを増大せしめる。
【００６０】
ところで酸化除去可能微粒子量Ｇよりも排出微粒子量Ｍの方が多くなる可能性のある特定の運転状態としては種々の運転状態が存在する。例えば機関始動時および機関暖機運転時はパティキュレートフィルタ２２の温度が低く、従って酸化除去可能微粒子量Ｇは少ないので酸化除去可能微粒子量Ｇよりも排出微粒子量Ｍの方が多くなる。従って機関始動時および暖機運転時は特定の運転状態となる。また、暖機完了前はもとより暖機完了後において排出微粒子量Ｍが急激に増大した場合にも酸化除去可能微粒子量Ｇよりも排出微粒子量Ｍの方が多くなると考えられる。従って、排出微粒子量Ｍの急激な増大を伴なう機関の運転状態は特定の運転状態と言える。
【００６１】
一方、このように排出微粒子量Ｍの急激な増大を伴なう運転状態についても種々の運転状態が存在するが排出微粒子量Ｍの急激な増大を伴なう代表的な運転状態は加速運転である。そこでまず初めに加速運転が行われた場合を例にとって加速運転が行われたときの排出微粒子量Ｍおよび酸化除去可能微粒子量Ｇの制御について説明する。
【００６２】
図７を参照すると、図７には要求トルクＴＱの変化と、パティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子の酸化処理を行うタイミング、即ち堆積微粒子酸化処理を行うタイミングの三つの例（Ｉ），（ＩＩ），（ＩＩＩ）とが示されている。
図７に示される第１の例（Ｉ）では要求トルクＴＱが急上昇を開始したとき、即ち加速運転が開始されたときに堆積微粒子酸化処理が開始され、要求トルクＴＱの上昇作用が終了したとき、即ち加速運転が終了したときに堆積微粒子酸化処理が終了せしめられる。即ち、図７に示される第１の例（Ｉ）では加速運転が行われている間、堆積微粒子酸化処理、即ち排出微粒子量Ｍを減少させる制御か又は酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させる制御の少くとも一方の制御が行われる。
【００６３】
一般的に云って加速運転が開始されると排出微粒子量Ｍが急激に増大する。一方、加速運転が開始されると排気ガス温が上昇するのでパティキュレートフィルタ２２が温度上昇し、斯くして図６の実線からわかるように酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。しかしながら実際には加速運転が開始されてもパティキュレートフィルタ２２の温度は急速に上昇せず、斯くして酸化除去可能微粒子量Ｇも急速に上昇しない。従って加速運転時には酸化除去可能微粒子量Ｇよりも排出微粒子量Ｍの方が多くなる可能性が極めて高い。
【００６４】
従って図７に示される第１の例（Ｉ）では加速運転中、酸化除去可能微粒子量Ｇよりも排出微粒子量Ｍの方が少なくなるように排出微粒子量Ｍが減少せしめられるか、又は酸化除去可能微粒子量Ｇが増大せしめられるか、又は排出微粒子量Ｍが減少せしめられかつ酸化除去可能微粒子量Ｇが増大せしめられる。
図８は図７に示される第１の例（Ｉ）を実行するための運転制御ルーチンを示している。
【００６５】
図８を参照するとまず初めにステップ１００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ１０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ１０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ１０３では加速運転の開始時であるか否かが判断される。加速運転の開始時であるか否かはアクセルペダル４０の踏込み量が急激に増大したか否か、或いは車速が急激に増大したか否か、或いはパティキュレートフィルタ２２の温度が上昇を開始したか否か等から判断される。加速運転の開始時であると判断されたときにはステップ１０４に進んで処理フラグがセットされ、次いでステップ１０７に進む。
【００６６】
一方、ステップ１０３において加速運転の開始時でないと判断されたときにはステップ１０５に進んで加速運転の完了時であるか否かが判断される。加速運転の完了時であるか否かはアクセルペダル４０の踏込み量が急激に減少したか否か、或いは車速が急速に減少したか否か、或いはパティキュレートフィルタ２２の温度の上昇作用が弱まったか否か等から判断される。加速運転の完了時であると判断されたときにはステップ１０６に進んで処理フラグがリセットされ、次いでステップ１０７に進む。
【００６７】
ステップ１０７では処理フラグがセットされているか否かが判別され、処理フラグがセットされているときにはステップ１０８に進んで堆積微粒子酸化処理が行われる。
このように図７に示される第１の例（Ｉ）では加速運転中に堆積微粒子酸化処理が行われる。しかしながら機関によっては加速運転中、排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくすることができない場合があり、また排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくできたとしてもパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子を十分に酸化除去できない場合がある。このような場合には加速運転が終了した後も堆積微粒子酸化処理を行うことが好ましい。従って図７に示される第２の例（ＩＩ）では加速運転終了後も堆積微粒子酸化処理を行うために加速運転開始後予め定められた時間ｔ_２ が経過するまで堆積微粒子酸化処理を行うようにしている。
【００６８】
図９は図７に示される第２の例（ＩＩ）を実行するための運転制御ルーチンを示している。
図９を参照するとまず初めにステップ２００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ２０３では加速運転の開始時であるか否かが判断される。加速運転の開始時であると判断されたときにはステップ２０４に進んで処理フラグがセットされ、次いでステップ２０７に進む。
【００６９】
一方、ステップ２０３において加速運転の開始時でないと判断されたときにはステップ２０５に進んで加速運転が開始されてから予め定められた時間ｔ_１ が経過したか否かが判別される。予め定められた時間ｔ_１ が経過したときにはステップ２０６に進んで処理フラグがリセットされ、次いでステップ２０７に進む。ステップ２０７では処理フラグがセットされているか否かが判別され、処理フラグがセットされているときにはステップ２０８に進んで堆積微粒子酸化処理が行われる。
【００７０】
一方、加速運転中にパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子を加速運転完了後に酸化除去せしめることもできる。図７に示される第３の例（ＩＩＩ）はこのようにして微粒子を酸化除去せしめる場合を示している。即ち、この第３の例（ＩＩＩ）においては加速運転が終了した後予め定められた時間ｔ_２ が経過するまで堆積微粒子酸化処理が行われる。
【００７１】
図１０は図７に示される第３の例（ＩＩＩ）を実行するための運転制御ルーチンを示している。
図１０を参照するとまず初めにステップ３００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ３０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ３０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ３０３では加速運転の完了時であるか否かが判断される。加速運転の完了時であると判断されたときにはステップ３０４に進んで処理フラグがセットされ、次いでステップ３０７に進む。
【００７２】
一方、ステップ３０３において加速運転の完了時でないと判断されたときにはステップ３０５に進んで加速運転が完了した後予め定められた時間ｔ_２ が経過したか否かが判別される。予め定められた時間ｔ_２ が経過したときにはステップ３０６に進んで処理フラグがリセットされ、次いでステップ３０７に進む。ステップ３０７では処理フラグがセットされているか否かが判別され、処理フラグがセットされているときにはステップ３０８に進んで堆積微粒子酸化処理が行われる。
【００７３】
図８のステップ１０８、図９のステップ２０８、図１０のステップ３０８において行われる堆積微粒子酸化処理は種々のやり方があり、従って次にこの堆積微粒子酸化処理の種々のやり方について説明する。
加速運転が行われたときに排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくする方法の一つはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させる方法である。そこでまず初めにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させる方法について説明する。
【００７４】
パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上死点以後まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑ_ｍ は図１１において（Ｉ）に示されるように圧縮上死点付近で噴射される。この場合、図１１の（ＩＩ）に示されるように主燃料Ｑ_ｍ の噴射時期が遅角されると後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気ガス温が高くなるとそれに伴ってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなり、その結果Ｍ＜Ｇの状態となる。
【００７５】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１１の（ＩＩＩ）に示されるように主燃料Ｑ_ｍ に加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_ｖ を噴射することもできる。このように補助燃料Ｑ_ｖ を追加的に噴射すると補助燃料Ｑ_ｖ 分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇する。
【００７６】
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_ｖ を噴射すると圧縮行程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑ_ｖ からアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑ_ｍ の反応が加速される。従ってこの場合には図１１の（ＩＩＩ）に示されるように主燃料Ｑ_ｍ の噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Ｑ_ｍ の噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス温はかなり高くなり、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをすみやかに上昇させることができる。
【００７７】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１１の（ＩＶ）に示されるように主燃料Ｑ_ｍ に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Ｑ_ｐ を噴射することもできる。即ち、この場合、大部分の補助燃料Ｑ_ｐ は燃焼することなく未燃ＨＣの形で排気通路内に排出される。この未燃ＨＣはパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。
【００７８】
これまで説明した例ではたとえば図１１の（Ｉ）に示されるように主燃料Ｑ_ｍ が噴射されているときに処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８において図１１の（ＩＩ）又は（ＩＩＩ）又は（ＩＶ）に示されるように噴射制御される。
【００７９】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇの状態にするために低温燃焼を用いる方法について説明する。
即ち、ＥＧＲ率を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下することが知られている。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示す図１２を参照しつつ説明する。なお、図１２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。
【００８０】
図１２の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図１２の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。また、図１２の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近でスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。
【００８１】
このようにＥＧＲガス率を５５パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつＮＯ_ｘ の発生量を低減することができるという特徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときＮＯ_ｘ も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、ＮＯ_ｘ も極めて少量しか発生しない。
【００８２】
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。このことについて図１３（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。
図１３（Ａ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示しており、図１３（Ａ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示している。また、図１３（Ｂ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示しており、図１３（Ｂ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示している。
【００８３】
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてＥＧＲガス量が多く、従って図１３（Ａ）に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮工程中は実線で示す低温燃焼時における平均ガス温Ｔｇのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガス温Ｔｇよりも高くなっている。なお、このとき図１３（Ｂ）に示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは平均ガス温Ｔｇとほぼ同じ温度になっている。
【００８４】
次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図１３（Ｂ）の実線が示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図１３（Ｂ）の破線で示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合の方が低くなっており、従って図１３（Ａ）に示されるように圧縮上死点付近における燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図１３（Ａ）に示されるように燃焼が完了した後の燃焼室５内の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガス温が高くなる。
【００８５】
このように低温燃焼が行われるとスモークの発生量、即ち排出微粒子量Ｍが少なくなり、排気ガス温が上昇する。従って加速運転が行われたときに通常の燃焼から低温燃焼に切換えると排出微粒子量Ｍは減少し、しかもパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇して酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するので容易にＭ＜Ｇの状態にすることができる。この低温燃焼を用いる場合には処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８において低温燃焼に切換えられる。
【００８６】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇの状態にするためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１４はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１４を参照するとこの内燃機関では排気管２０内に炭化水素供給装置７０が配置されている。この方法では処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８において炭化水素供給装置７０から排気管２０内に炭化水素が供給される。この炭化水素はパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化せしめられ、このときの酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。なお、この炭化水素供給装置７０はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこに配置してもよい。
【００８７】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇの状態にするためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１５はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１５を参照するとこの内燃機関ではパティキュレートフィルタ２２下流の排気管７１内にアクチュエータ７２により駆動される排気制御弁７３が配置されている。
【００８８】
この方法では処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８において排気制御弁７３がほぼ全閉とされ、排気制御弁７３をほぼ全閉にすることによる機関出力トルクの低下を阻止するために主燃料Ｑ_ｍ の噴射量が増大せしめられる。排気制御弁７３をほぼ全閉にすると排気制御弁７３上流の排気通路内の圧力、即ち背圧が上昇する。背圧が上昇すると燃焼室５内から排気ガスが排気ポート１０内に排出されるときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って温度もさほど低下しなくなる。しかもこのとき主燃料Ｑ_ｍ の噴射量が増大せしめられているので燃焼室５内の既燃ガス温が高くなっており、従って排気ポート１０内に排出された排気ガスの温度はかなり高くなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２の温度が急速に上昇せしめられる。
【００８９】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇの状態にするためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１６はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１６を参照するとこの内燃機関では排気タービン２１を迂回する排気バイパス通路７４内にアクチュエータ７５により制御されるウェストゲートバルブ７６が配置されている。このアクチュエータ７５は通常サージタンク１２内の圧力、即ち過給圧に応動して過給圧が一定圧以上にならないようにウェストゲートバルブ７６の開度を制御している。
【００９０】
この方法では処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８においてウェストゲートバルブ７６が全開せしめられる。排気ガスは排気タービン２１を通過すると温度低下するがウェストゲートバルブ７６を全開にすると大部分の排気ガスは排気バイパス通路７４内を流れるために温度低下しなくなる。斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度が上昇することになる。
【００９１】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇの状態にするために排出微粒子量Ｍを低下させる方法について説明する。即ち、噴射燃料と空気とが十分に混合すればするほど、即ち、噴射燃料周りの空気量が多くなればなるほど噴射燃料は良好に燃焼せしめられるので微粒子は発生しなくなる。従って排出微粒子量Ｍを低下させるには噴射燃料と空気とがより一層十分に混合するようにしてやればよいことになる。ただし、噴射燃料と空気との混合をよくすると燃焼が活発になるためにＮＯ_ｘ の発生量が増大する。従って排出微粒子量Ｍを低下させる方法は、別の言い方をするとＮＯ_ｘ の発生量を増大させる方法と言える。
【００９２】
いずれにしても排出微粒子量ＰＭを低下させる方法も種々の方法があり、従ってこれら方法について順次説明する。
排出微粒子量ＰＭを低下させる方法として前述した低温燃焼を用いることもできるがその他の有効な方法としては燃料噴射を制御する方法が挙げられる。例えば燃料噴射量を低下させると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。
【００９３】
また、噴射時期を進角すると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、コモンレール２７内の燃料圧、即ち噴射圧を高めると噴射燃料が分散するので噴射燃料と空気との混合が良好となり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、主燃料Ｑ_ｍ の噴射直前の圧縮行程末期に補助燃料を噴射するようにしている場合、いわゆるパイロット噴射を行っている場合には補助燃料の燃焼により酸素が消費されるために主燃料Ｑ_ｍ 周りの空気が不十分となる。従ってこの場合にはパイロット噴射を停止することによって排出微粒子量Ｍが低減する。
【００９４】
即ち、燃料噴射を制御することによって排出微粒子量Ｍを低減するようにした場合には処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８において燃料噴射量が低下せしめられるか、又は燃料噴射時期が進角されるか、又は噴射圧が高められるか、又はパイロット噴射が停止され、それによって排出微粒子量Ｍが低減せしめられる。
【００９５】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇにするために排出微粒子量Ｍを低減するための別の方法について説明する。この方法では処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８においてＥＧＲ率を低下させるためにＥＧＲ制御弁２５の開度が低下せしめられる。ＥＧＲ率が低下すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。
【００９６】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇにするために排出微粒子量Ｍを低減するための更に別の方法について説明する。この方法では処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８において過給圧を増大するためにウェストゲートバルブ７６（図１６）の開度が減少せしめられる。過給圧が増大すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。
【００９７】
次に加速運転が行われたときＭ＜Ｇにするために排気ガス中の酸素濃度を増大させる方法について説明する。排気ガス中の酸素濃度が増大するとそれだけでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが更に活性酸素放出剤６１内に取込まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素量が増大し、斯くして酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【００９８】
この方法を実行するための方法としてはＥＧＲ率を制御する方法が挙げられる。即ち、処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８においてＥＧＲ率が低下するようにＥＧＲ制御弁２５の開度が減少せしめられる。ＥＧＲ率が低下するということは吸入空気中における吸入空気量の割合が増大することを意味しており、斯くしてＥＧＲ率が低下すると排気ガス中の酸素濃度が上昇する。その結果、酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。また、ＥＧＲ率が低下すると前述したように排出微粒子量Ｍが減少する。従ってＥＧＲ率が低下すると急速にＭ＜Ｇとなる。
【００９９】
次に排気ガス中の酸素濃度を増大させるために２次空気を用いる方法について説明する。図１７に示す例では排気タービン２１とパティキュレートフィルタ２２との間の排気管７７が２次空気供給導管７８を介して吸気ダクト１３に連結され、２次空気供給導管７８内に供給制御弁７９が配置される。また、図１８に示す例では２次空気供給導管７８が機関駆動のエアポンプ８０に連結されている。なお、排気通路内への２次空気の供給位置はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこでもよい。
【０１００】
図１７又は図１８に示す内燃機関においては処理フラグ（図８、図９、図１０）がセットされると処理フラグがセットされている間、図８のステップ１０８、又は図９のステップ２０８、又は図１０のステップ３０８において供給制御弁７９が開弁せしめられる。その結果、２次空気供給導管７８から排気管７７に２次空気が供給され、斯くして排気ガス中の酸素濃度が増大せしめられる。
【０１０１】
次に加速運転が行われたときに排出微粒子量Ｍを低減させかつ酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させるようにした場合について説明する。前述したように加速運転が開始されたときパティキュレートフィルタ２２の温度は時間遅れをもって上昇するので加速開始直後から酸化除去可能微粒子量Ｇを大巾に増大させるのは難かしい。従って図１９に示される第１の例（Ｉ）では加速運転が開始されると予め定められた時間ｔ_３ が経過するまで堆積微粒子酸化処理が行われるが堆積微粒子酸化処理の前半では排出微粒子量Ｍを低下させる処理Ａが行われ、堆積微粒子酸化処理の後半になって酸化除去可能微粒子量Ｇを増大せしめる処理Ｂが行われる。なお、図１９に示される第１の例（Ｉ）では処理Ａは加速運転開始時に開始され、処理Ｂは加速運転完了時に開始される。
【０１０２】
図２０および図２１は図１９に示される第１の例（Ｉ）を実行するための運転制御ルーチンを示している。
図２０および図２１を参照するとまず初めにステップ４００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ４０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ４０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ４０３では加速運転の開始時であるか否かが判断される。加速運転の開始時であると判断されたときにはステップ４０４に進んでＡ処理フラグがセットされ、次いでステップ４０７に進む。
【０１０３】
一方、ステップ４０３において加速運転の開始時でないと判断されたときにはステップ４０５に進んで加速運転の完了時であるか否かが判断される。加速運転の完了時であると判断されたときにはステップ４０６に進んでＡ処理フラグがリセットされ、Ｂ処理フラグがセットされる。次いでステップ４０７に進む。ステップ４０７では加速運転の開始時から予め定められた時間ｔ_３ が経過したか否かが判別され、予め定められた時間ｔ_３ が経過したときにはステップ４０８に進んでＢ処理フラグがリセットされる。
【０１０４】
次いでステップ４０９ではＡ処理フラグがセットされているか否かが判別され、Ａ処理フラグがセットされているときにはステップ４１０に進んでＡ処理が行われる。次いでステップ４１１ではＢ処理フラグがセットされているか否かが判別され、Ｂ処理フラグがセットされているときにはステップ４１２に進んでＢ処理が行われる。
【０１０５】
このように図１９に示される第１の例（Ｉ）ではＡ処理が完了した後にＢ処理が行われる。しかしながらパティキュレートフィルタ２２の温度を早急に上昇させるためには酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させる処理Ｂを早期に開始させることが好ましい。従って図１９に示される第２の例（ＩＩ）では加速運転開始時にＡ処理とＢ処理とを同時に開始させるようにしている。
【０１０６】
図２２および図２３は図１９に示される第２の例（ＩＩ）を実行するための運転制御ルーチンを示している。
図２２および図２３を参照するとまず初めにステップ５００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ５０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ５０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ５０３では加速運転の開始時であるか否かが判断される。加速運転の開始時であると判断されたときにはステップ５０４に進んでＡ処理フラグおよびＢ処理フラグがセットされ、次いでステップ５０７に進む。
【０１０７】
一方、ステップ５０３において加速運転の開始時でないと判断されたときにはステップ５０５に進んで加速運転の完了時であるか否かが判断される。加速運転の完了時であると判断されたときにはステップ５０６に進んでＡ処理フラグがリセットされ、次いでステップ５０７に進む。ステップ５０７では加速運転の開始時から予め定められた時間ｔ_３ が経過したか否かが判別され、予め定められた時間ｔ_３ が経過したときにはステップ５０８に進んでＢ処理フラグがリセットされる。
【０１０８】
次いでステップ５０９ではＡ処理フラグがセットされているか否かが判別され、Ａ処理フラグがセットされているときにはステップ５１０に進んでＡ処理が行われる。次いでステップ５１１ではＢ処理フラグがセットされているか否かが判別され、Ｂ処理フラグがセットされているときにはステップ５１２に進んでＢ処理が行われる。
【０１０９】
ところで前述したように低温燃焼が行われているときには燃焼室５内における空燃比をリッチにすることができ、従ってパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。また、図１４に示されるような炭化水素供給装置７０から排気通路内に炭化水素を供給することによってもパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。このようにパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化せしめられる。即ち、排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で酸化除去せしめられる。
【０１１０】
そこで図２４に示される例では加速運転が完了したときに空燃比が予め定められた時間ｔ_４ だけ一時的にリッチにされ、それによってパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子を一気に酸化除去せしめるようにしている。
図２５は図２４に示される例を実行するための運転制御ルーチンを示している。
【０１１１】
図２５を参照するとまず初めにステップ６００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ６０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ６０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ６０３では加速運転の完了時であるか否かが判断される。加速運転の完了時であると判断されたときにはステップ６０４に進んで処理フラグがセットされ、次いでステップ６０７に進む。
【０１１２】
一方、ステップ６０３において加速運転の完了時でないと判断されたときにはステップ６０５に進んで加速運転の完了後予め定められた時間ｔ_４ が経過したか否かが判別され、予め定められた時間ｔ_４ が経過したときにはステップ６０６に進んで処理フラグがリセットされる。次いでステップ６０７に進む。
ステップ６０７では処理フラグがセットされているか否かが判別され、処理フラグがセットされているときにはステップ６０８に進んで堆積微粒子酸化処理、即ちパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする必要が行われる。
【０１１３】
図２６に別の例を示す。図２６に示す例では加速運転が開始されたときに堆積微粒子酸化処理、即ち排出微粒子量Ｍを減少させる処理か又は酸化除去可能微粒子量Ｇを増大させる処理を行った後にパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにしている。
次にパティキュレートフィルタ２２上に堆積した堆積微粒子量が予め定められた限界堆積微粒子量を越えたか否かを推定し、堆積微粒子量が限界堆積微粒子量を越えたと推定されたときには排出微粒子量Ｍ又は酸化除去可能微粒子量Ｇの少くともいずれか一方を制御するようにした実施例について説明する。
【０１１４】
なお、以下に説明する例においてはパティキュレートフィルタ２２上に堆積した堆積微粒子量を算出し、算出された堆積微粒子量が限界堆積微粒子量を越えたときにパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子量が限界堆積微粒子量を越えたと推定するようにしている。
即ち、前述した如く微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に付着するとこの微粒子は短時間のうちに酸化せしめられる。ところがこの微粒子が完全に酸化除去せしめられる前に他の微粒子が次から次へとパティキュレートフィルタ２２に付着する。従って実際にはパティキュレートフィルタ２２上には或る程度の量の微粒子が常時堆積しており、この堆積している微粒子のうちの一部の微粒子が酸化除去せしめられる。この場合、単位時間当りに酸化除去せしめられる微粒子ＧＧが排出微粒子量Ｍと同じであれば排気ガス中の全微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において酸化除去せしめられる。しかしながら排出微粒子量Ｍが単位時間当りに酸化除去せしめられる微粒子量ＧＧ量よりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上の堆積微粒子量は次第に増大し、斯くして堆積微粒子量が限界堆積微粒子量を越えてしまうことになる。
【０１１５】
さてここで、上述した単位時間当りに酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量ＧＧは次式のように表すことができる。
ＧＧ（ｇ／ｓｅｃ）＝Ｃ・ＥＸＰ（−Ｅ／ＲＴ）・〔ＰＭ〕^ｌ ・（〔Ｏ_２ 〕^ｍ ＋〔ＮＯ〕^ｎ ）
ここでＣは定数、Ｅは活性化エネルギ、Ｒはガス定数、Ｔはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦ、〔ＰＭ〕はパティキュレートフィルタ２２上における微粒子の堆積濃度（ｍｏｌ／ｃｍ^２ ）、〔Ｏ_２ 〕は排気ガス中の酸素濃度、〔ＮＯ〕は排気ガス中のＮＯ_ｘ 濃度を夫々示している。
【０１１６】
なお、酸化除去微粒子量ＧＧは実際には、排気ガス中の未燃ＨＣ濃度、微粒子の酸化のしやすさの程度、パティキュレートフィルタ２２内における排気ガス流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもあるがここではこれらの影響を考えないこととする。
上式からわかるように酸化除去微粒子量ＧＧはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇すると指数関数的に増大する。また、微粒子の堆積濃度〔ＰＭ〕が増大すれば酸化除去される微粒子が増大するので〔ＰＭ〕が増大するほど酸化除去微粒子量ＧＧは増大する。しかしながら微粒子の堆積濃度〔ＰＭ〕が高くなるほど酸化しずらい位置に堆積する微粒子量が増大するので酸化除去微粒子量ＧＧの増大率は次第に減少する。従って微粒子の堆積濃度〔ＰＭ〕と上式中の〔ＰＭ〕^ｌ との関係は図２７（Ａ）に示されるようになる。
【０１１７】
一方、排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ_２ 〕が高くなればそれだけでも酸化除去微粒子量ＧＧは増大するが更に活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素量が増大する。従って排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ_２ 〕が高くなるとそれに比例して酸化除去微粒子量ＧＧは増大し、斯くして排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ_２ 〕と上式中の〔Ｏ_２ 〕^ｍ との関係は図２７（Ｂ）に示されるようになる。
【０１１８】
一方、排気ガス中のＮＯは前述したように白金Ｐｔの表面上において酸化されてＮＯ_２ となる。このようにして生成されたＮＯ_２ の一部は活性酸素放出剤６１内に吸収され、残りのＮＯ_２ は白金Ｐｔの表面から外部に離脱する。このとき微粒子はＮＯ_２ と接触すると酸化反応が促進され、従って排気ガス中のＮＯ_ｘ 濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大する。しかしながらＮＯからＮＯ_２ への変換は排気ガス温がほぼ２５０℃からほぼ４５０℃の間でしか生じない。従って排気ガス中のＮＯ_ｘ 濃度〔ＮＯ〕と上式中の〔ＮＯ〕^ｎ との関係は、排気ガス温がほぼ２５０℃から４５０℃の間のときには図２７（Ｃ）の実線〔ＮＯ〕^ｎ _ｌ で示されるように〔ＮＯ〕が増大するにつれて〔ＮＯ〕^ｎ が増大するが、排気ガス温がほぼ２５０℃以下又はほぼ４５０℃以上では図２７（Ｃ）の実線〔ＮＯ〕^ｎ _０ で示されるように〔ＮＯ〕にかかわらずに〔ＮＯ〕^ｎ _０ はほぼ零となる。
【０１１９】
なお、〔Ｏ_２ 〕^ｍ および〔ＮＯ〕^ｎ を求めるために用いる排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ_２ 〕およびＮＯ_ｘ 濃度〔ＮＯ〕は酸素濃度センサおよびＮＯ_ｘ 濃度センサを用いて検出することができる。しかしながら本発明による実施例では排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ_２ 〕が要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２８（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、排気ガス中のＮＯ_ｘ 濃度〔ＮＯ〕も要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２８（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、これらのマップから排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ_２ 〕およびＮＯ_ｘ 濃度〔ＮＯ〕が算出される。
【０１２０】
一方、排出微粒子量Ｍは機関の型式によって変化するが機関の型式が定まると要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数となる。図２９（Ａ）は図１に示される内燃機関の排出微粒子量Ｍを示しており、各曲線Ｍ_１ ，Ｍ_２ ，Ｍ_３ ，Ｍ_４ ，Ｍ_５ は等排出微粒子量（Ｍ_１ ＜Ｍ_２ ＜Ｍ_３ ＜Ｍ_４ ＜Ｍ_５ ）を示している。図２９（Ａ）に示される例では要求トルクＴＱが高くなるほど排出微粒子量Ｍが増大する。なお、図２９（Ａ）に示される排出微粒子量Ｍは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２９（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【０１２１】
この実施例では一定時間経過する毎に上式に基づいて酸化除去微粒子量ＧＧが算出される。このとき堆積している微粒子量をＰＭ（ｇ）とするとこの微粒子のうち酸素除去微粒子量ＧＧに相当する微粒子が除去され、新たに排出微粒子量Ｍに相当する微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に付着する。従って最終的な微粒子の堆積量ＰＭは次式で表されることになる。
【０１２２】
ＰＭ←ＰＭ＋Ｍ−ＧＧ
従ってこの実施例では図３０に示されるようにパティキュレートフィルタ２２上に最終的に堆積している堆積微粒子ＰＭが限界堆積微粒子量ＭＡＸを越えたときには堆積微粒子量ＰＭが堆積微粒子を十分に酸化除去しうる最小堆積微粒子量ＭＩＮ以下に低下するまで堆積微粒子酸化処理を継続するようにしている。
【０１２３】
次に図３１を参照しつつ運転制御方法について説明する。
図３１を参照するとまず初めにステップ７００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ７０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ７０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ７０３では図２９（Ｂ）に示されるマップから排出微粒子量Ｍが算出される。次いでステップ７０４では次式に基づいて酸化除去微粒子量ＧＧが算出される。
【０１２４】
ＧＧ＝Ｃ・ＥＸＰ（−Ｅ／ＲＴ）・〔ＰＭ〕^ｌ ・（〔Ｏ_２ 〕^ｍ ＋〔ＮＯ〕^ｎ ）
次いでステップ７０５では次式に基づいて最終的な微粒子の堆積量ＰＭが算出される。
ＰＭ←ＰＭ＋Ｍ−ＧＧ
次いでステップ７０６では堆積微粒子量ＰＭが限界堆積微粒子量ＭＡＸよりも大きくなったことを示すフラグがセットされているか否かが判別される。フラグがセットされていないときにはステップ７０７に進んで堆積微粒子量ＰＭが限界堆積微粒子量ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ＰＭ≦ＭＡＸのとき、即ち堆積微粒子量ＰＭが限界堆積微粒子量ＭＡＸよりも少ないときには処理サイクルを完了する。
【０１２５】
これに対してステップ７０７においてＰＭ＞ＭＡＸであると判別されたとき、即ち堆積微粒子量ＰＭが限界堆積微粒子量ＭＡＸを越えたときにはステップ７０８に進んでフラグがセットされ、次いでステップ７０９に進む。フラグがセットされるとその後の処理サイクルではステップ７０６からステップ７０９にジャンプする。
【０１２６】
ステップ７０９では堆積微粒子量ＰＭと最小堆積微粒子量ＭＩＮとが比較される。ＰＭ≧ＭＩＮのときにはステップ７１０に進んで堆積微粒子酸化処理、即ちパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための制御、又は排出微粒子量Ｍを低下させるための制御、又は排気ガス中の酸素濃度を高めるための制御が行われる。
【０１２７】
次いでステップ７０９においてＰＭ＜ＭＩＮになったと判断されるとステップ７１１に進んで元の運転状態に徐々に復帰する制御が行われ、フラグがリセットされる。
さて、これまで述べた実施例ではパティキュレートフィルタ２２の各隔壁５４の両側面上および隔壁５４内の細孔内壁面上に例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒および活性酸素放出剤が担持されている。この場合、この担体上にパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘ を吸収しパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_ｘ を放出するＮＯ_ｘ 吸収剤を担持させることもできる。
【０１２８】
この場合、貴金属としては前述したように白金Ｐｔが用いられ、ＮＯ_ｘ 吸収剤としてはカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つが用いられる。なお、前述した活性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるようにＮＯ_ｘ 吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成する金属とは大部分が一致している。
【０１２９】
この場合、ＮＯ_ｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。ＮＯ_ｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはＮＯ_ｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになる。
次に貴金属触媒として白金Ｐｔを用い、ＮＯ_ｘ 吸収剤としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＮＯ_ｘ の吸放出作用について説明する。
【０１３０】
まず初めにＮＯ_ｘ の吸収作用について検討するとＮＯ_ｘ は図４（Ａ）に示すメカニズムと同じメカニズムでもってＮＯ_ｘ 吸収剤に吸収される。ただし、この場合図４（Ａ）において符号６１はＮＯ_ｘ 吸収剤を示す。
即ち、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２ がＯ_２ ⁻ 又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻ 又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２ となる（２ＮＯ＋Ｏ_２ →２ＮＯ_２ ）。次いで生成されたＮＯ_２ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯ_ｘ 吸収剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ の形でＮＯ_ｘ 吸収剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ は硝酸カリウムＫＮＯ_３ を生成する。このようにしてＮＯがＮＯ_ｘ 吸収剤６１内に吸収される。
【０１３１】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスがリッチになると硝酸イオンＮＯ_３ ⁻ は酸素とＯとＮＯに分解され、次から次へとＮＯ_ｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。従ってパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると短時間のうちにＮＯ_ｘ 吸収剤６１からＮＯが放出され、しかもこの放出されたＮＯが還元されるために大気中にＮＯが排出されることはない。
【０１３２】
なお、この場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯ_ｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。しかしながらこの場合にはＮＯ_ｘ 吸収剤６１からＮＯが徐々にしか放出されないためにＮＯ_ｘ 吸収剤６１に吸収されている全ＮＯ_ｘ を放出させるには若干長い時間を要する。
ところで前述したようにＮＯ_ｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、ＮＯ_ｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いることもできる。ＮＯ_ｘ 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合には前述したようにＮＯ_ｘ 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになり、このように双方の機能を同時に果すものを以下、活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤と称する。この場合には図４（Ａ）における符号６１は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤を示すことになる。
【０１３３】
このような活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤６１を用いた場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯは活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤６１に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤６１に付着するとこの微粒子は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤６１から放出される活性酸素によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。従ってこのとき排気ガス中の微粒子およびＮＯ_ｘ の双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【０１３４】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤６１からＮＯが放出される。このＮＯは未燃ＨＣ，ＣＯにより還元され、斯くしてこのときにもＮＯが大気中に排出されることがない。また、このときパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積していた場合にはこの微粒子は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤６１から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【０１３５】
なお、ＮＯ_ｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤が用いられた場合にはＮＯ_ｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤のＮＯ_ｘ 吸収能力が飽和する前に、ＮＯ_ｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤からＮＯ_ｘ を放出するためにパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比が周期的にリッチにされる。また、加速運転が行われると燃焼室５から多量のＮＯ_ｘ が排出されるのでＮＯ_ｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤が用いられた場合には加速運転が行われるとＮＯ_ｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤に多量のＮＯ_ｘ が吸収される。従ってＮＯ_ｘ 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_ｘ 吸収剤が用いられた場合には吸収された多量のＮＯ_ｘ を放出させるために図２４又は図２６に示されるように加速運転が完了したときにパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることが好ましい。
【０１３６】
また、本発明はパティキュレートフィルタ２２の両側面上に形成された担体の層上に白金Ｐｔのような貴金属のみを担持した場合にも適用することができる。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図５に示す実線に比べて若干右側に移動する。この場合には白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ_２ 又はＳＯ_３ から活性酸素が放出される。
【０１３７】
また、活性酸素放出剤としてＮＯ_２ 又はＳＯ_３ を吸着保持し、これら吸着されたＮＯ_２ 又はＳＯ_３ から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
更に本発明は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に酸化触媒を配置してこの酸化触媒により排気ガス中のＮＯをＮＯ_２ に変換し、このＮＯ_２ とパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子とを反応させてこのＮＯ_２ により微粒子を酸化するようにした排気ガス浄化装置にも適用できる。
【０１３８】
【発明の効果】
排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において連続的に酸化除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】機関の要求トルクを示す図である。
【図３】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図４】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図５】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図６】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図７】堆積微粒子酸化処理のタイミングを示す図である。
【図８】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図９】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１０】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１１】噴射制御を説明するための図である。
【図１２】スモークの発生量を示す図である。
【図１３】燃焼室内のガス温等を示す図である。
【図１４】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図１５】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１６】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１７】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１８】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１９】堆積微粒子酸化処理のタイミングを示す図である。
【図２０】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２１】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２２】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【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】空燃比制御のタイミングを示す図である。
【図２５】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２６】堆積微粒子酸化処理および空燃比制御のタイミングを示す図である。
【図２７】微粒子の堆積濃度等を示す図である。
【図２８】排気ガス中の酸素濃度およびＮＯ_ｘ 濃度のマップを示す図である。
【図２９】排出微粒子量を示す図である。
【図３０】堆積微粒子酸化処理のタイミングを示す図である。
【図３１】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２２…パティキュレートフィルタ
２５…ＥＧＲ制御弁

Claims (23)

1. 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、該パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、該排出微粒子量が該酸化除去可能微粒子量よりも少ない機関運転状態のときに加速運転が行われたときには該排出微粒子量が該酸化除去可能微粒子量よりも少くなるように該排出微粒子量を減少させるか又はパティキュレートフィルタの温度を上昇させるかの少くとも一方の制御を行う制御手段を具備した排気ガス浄化装置。
2. パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 上記活性酸素放出剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
5. 上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
6. 上記活性酸素放出剤は、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出する機能を有している請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
7. 排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の制御は加速運転が終了したときに終了する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
8. 排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の制御は加速運転が終了した後も継続して行われる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
9. 上記制御手段は、加速運転が終了した後に排出微粒子量又はパティキュレートフィルタの温度の少くとも一方を制御する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
10. 上記制御手段は、加速運転が行われているときに排出微粒子量が減少するように制御し、次いでパティキュレートフィルタの温度が上昇するように制御する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
11. 上記制御手段は、排気ガス温が上昇するように燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
12. 上記制御手段は、主燃料の噴射時期を遅角させるか、又は主燃料に加え補助燃料を噴射することによって排気ガス温を上昇させる請求項１１に記載の排気ガス浄化装置。
13. 機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、上記制御手段は、再循環排気ガス量を煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも多くすることによって排気ガス温を上昇させ、それによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
14. パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に炭化水素供給装置を配置し、該炭化水素供給装置から排気通路内に炭化水素を供給することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
15. パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に排気制御弁を配置し 、排気制御弁を閉弁することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
16. 排気タービンを迂回する排気ガス量を制御するためのウエストゲートバルブを備えた排気ターボチャージャを具備しており、ウエストゲートバルブを開弁することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
17. 上記制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときには燃料噴射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧又は補助燃料の噴射を制御することによって排出微粒子量を減少させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
18. 吸入空気を過給するための過給手段を具備し、上記制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときに過給圧を増大させることによって排出微粒子量を減少させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
19. 排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、上記制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときに排気ガス再循環率を減少させることによって排出微粒子量を減少させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
20. 上記制御手段は、加速運転が行われたと判断されたときに排気ガス中の酸素濃度を高めることによって該パティキュレートフィルタの温度を上昇させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
21. 排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、上記制御手段は、排気ガス再循環率を減少させることによって排気ガス中の酸素濃度を高くする請求項２０に記載の排気ガス浄化装置。
22. パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給するための２次空気供給装置を具備し、上記制御手段は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給することによって排気ガス中の酸素濃度を高くする請求項２０に記載の排気ガス浄化装置。
23. 加速運転が行われたときにパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比制御手段を具備した請求項１に記載の排気ガス浄化装置。

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