JP3607988B2 - Exhaust gas purification method - Google Patents

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    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/28—Layout, e.g. schematics with liquid-cooled heat exchangers

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化方法に関する。
【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。したが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。そこで比較的低い温度であっても捕集された微粒子を着火燃焼させようとする技術が公知である（例えば特公平７−１０６２９０号公報参照）。この公知の技術は低温から微粒子が着火燃焼することで堆積した微粒子を連続的に燃焼除去させることを意図している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上述した特公平７−１０６２９０号公報に記載の排気ガス浄化方法により排気ガス中の微粒子を除去するようにした場合においてもパティキュレートフィルタ表面に微粒子が堆積してしまうことがある。ここでパティキュレートフィルタ表面に堆積してしまった微粒子の一部が燃焼し始めると残りの微粒子が一気に燃焼し始め、結果としてパティキュレートフィルタの温度が一気に上昇し、遂にはパティキュレートフィルタが微粒子の燃焼熱により溶損するか、或いは溶損に至らないまでも熱劣化する可能性がある。
【０００４】
こうした問題に鑑み、本発明の目的はパティキュレートフィルタ表面に堆積した微粒子の燃焼熱によりパティキュレートフィルタが溶損、或いはパティキュレートフィルタに担持された触媒が熱劣化することを防止することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、１番目の発明では、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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法において、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには上記第二領域となるように機関運転状態を変更し、機関運転領域が上記第一領域にあるときに上記第二領域となるように機関運転状態を変更することができないときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくする。
【０００７】
上記目的を達成するために、２番目の発明では、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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が燃焼室に流入する空気量に応じて設定され、該空気量が多いほど高く設定される。
【０００８】
上記目的を達成するために、３番目の発明では、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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が排気ガス中の炭化水素の濃度に応じて設定され、排気ガスの空燃比がリーンであるときには該炭化水素濃度が高いほど低く設定され、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍、或いはリッチであるときには該炭化水素濃度が高いほど高く設定される。
【０００９】
上記目的を達成するために、４番目の発明では、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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには、排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせることによってパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零にすることでパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法において、機関排気通路から第一の排気枝管と第二の排気枝管とを分岐させ、これら第一の排気枝管と第二の排気枝管とをこれらが分岐された分岐点の下流側において互いに接続してループ状の排気通路を形成し、該ループ状の排気通路内に上記パティキュレートフィルタが配置され、排気ガスを第一の排気枝管と第二の排気枝管のいずれを介してパティキュレートフィルタに流入させるかを切り換えるために回動可能な切換弁を上記分岐点に配置し、該切換弁は第一の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第一の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第二の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第二の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第二の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第一の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第一の回動位置と第二の回動位置との間の中立位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを分岐点下流の機関排気通路に直接流入させ、切換弁を中立位置とすることにより排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせる。
【００１０】
上記目的を達成するために、５番目の発明では、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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには上記第二領域となるように機関運転状態を変更するようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が燃焼室に流入する空気量に応じて設定され、該空気量が多いほど高く設定される。
【００１１】
上記目的を達成するために、６番目の発明では、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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには上記第二領域となるように機関運転状態を変更するようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が排気ガス中の炭化水素の濃度に応じて設定され、排気ガスの空燃比がリーンであるときには該炭化水素濃度が高いほど低く設定され、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍、或いはリッチであるときには該炭化水素濃度が高いほど高く設定される。
【００１２】
７番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零にすることによりパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくする。
８番目の発明では、７番目の発明において、排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせることによりパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零にする。
９番目の発明では、８番目の発明において、機関排気通路から第一の排気枝管と第二の排気枝管とを分岐させ、これら第一の排気枝管と第二の排気枝管とをこれらが分岐された分岐点の下流側において互いに接続してループ状の排気通路を形成し、該ループ状の排気通路内に上記パティキュレートフィルタが配置され、排気ガスを第一の排気枝管と第二の排気枝管のいずれを介してパティキュレートフィルタに流入させるかを切り換えるために回動可能な切換弁を上記分岐点に配置し、該切換弁は第一の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第一の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第二の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第二の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第二の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第一の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第一の回動位置と第二の回動位置との間の中立位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを分岐点下流の機関排気通路に直接流入させ、切換弁を中立位置とすることにより排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせる。
【００１３】
１０番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、燃焼室に流入する空気量を少なくすることによりパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくする。
１１番目の発明では、１〜１０番目の発明のいずれか１つにおいて、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した。
１２番目の発明では、１１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上記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りパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させる。
１３番目の発明では、１２番目の発明において、上記活性酸素放出剤がアルカリ金属またはアルカリ土類金属または希土類または遷移金属または炭素族元素からなる。
１４番目の発明では、１３番目の発明において、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。
１５番目の発明では、１２番目の発明において、排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例を参照して本発明を説明する。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。コンプレッサ１５の上流側の吸気管１３ｂには吸入される空気の質量流量を検出するための質量流量計１３ａが取り付けられる。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、さらに吸気ダクト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に示した実施例では冷却装置１８内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水により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の出口は排気管２０ａを介して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。
【００１５】
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）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に示した実施例では冷却装置２６内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水により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が取り付けられ、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。
【００１６】
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により互いに接続された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が取り付けられ、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。また質量流量計１３ａ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。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、および燃料ポンプ２８に接続される。
【００１７】
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の正面図であり、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図である。図２（Ａ）および（Ｂ）に示した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。
【００１８】
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。したが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が四つの排気ガス流出通路５１により包囲され、各排気ガス流出通路５１が四つの排気ガス流入通路５０により包囲されるように配置される。
【００１９】
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、したが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）において矢印で示したように周囲の隔壁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。
本発明の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、すなわち各隔壁５４の両側表面上、栓５３の外端面および栓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と、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且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とが担持されている。
【００２０】
本発明の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、鉄Ｆｅのような遷移金属、およびスズＳｎのような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００２１】
なお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またはアルカリ土類金属、すなわちカリウム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、炭素族元素を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【００２２】
図１に示した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、したがって排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。すなわち吸気通路および燃焼室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に示した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。また燃料中には硫黄Ｓが含まれており、この硫黄Ｓは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ２となる。したがって排気ガス中にはＳＯ２が含まれている。したがって過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ２を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００２３】
図３（Ａ）および（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）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３（Ａ）に示したようにこれら酸素Ｏ２がＯ２ −または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 −またはＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図３（Ａ）に示したように硝酸イオンＮＯ３ −の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ３を生成する。
【００２４】
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り活性酸素放出剤６１内に吸収される。すなわち上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −または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 −または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上でさらに酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ＳＯ４を生成する。このようにして活性酸素放出剤６１内には硝酸カリウムＫＮＯ３および硫酸カリウムＫ２ＳＯ４が生成される。
【００２５】
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、したが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で示した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。
【００２６】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ３がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、その一方で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。
【００２７】
また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Ｋ２ＳＯ４もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ２とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、その一方でＳＯ２が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。ただし硫酸カリウムＫ２ＳＯ４は安定で分解しづらいので硫酸カリウムＫ２ＳＯ４は硝酸カリウムＫＮＯ３よりも活性酸素を放出しづらい。
また活性酸素放出剤６１は上述したようにＮＯＸを硝酸イオンＮＯ３ −の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。同様に活性酸素放出剤６１は上述したようにＳＯ２を硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。
【００２８】
ところで微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ３や硫酸カリウムＫ２ＳＯ４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。したがって微粒子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。同様に活性酸素放出剤６１におけるＮＯＸと酸素との反応過程、或いはＳＯ２と酸素との反応過程にて生成される酸素も活性酸素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（数秒〜数十分）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。したがって微粒子６２がパティキュレートフィルタ２２上に堆積することはほとんどない。すなわち活性酸素放出剤６１は微粒子を酸化するための酸化物質である。
【００２９】
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、したがってこのような火炎を伴う燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００３０】
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。すなわ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。したが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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。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、すなわち図５の領域Ｉにあるときには燃焼室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に接触すると短時間（数秒〜数十分）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。
【００３３】
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、すなわち図５の領域ＩＩにあるときに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。
すなわ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）に示したように微粒子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４（Ｂ）に示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われるようになる。
【００３４】
担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ２の酸化作用および活性酸素放出剤６１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）に示した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。すなわ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により酸化されることがなく、したがってこの微粒子６４上にさらに別の微粒子が次から次へと堆積する。すなわち排出微粒子量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。
【００３５】
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。したが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。
【００３６】
図５から判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、したがって図１に示した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よりも常時、少なくなるように維持することが可能である。したがって本発明による第一の実施例においては排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少なくなるように維持するようにしている。
【００３７】
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。したがって機関出力はほとんど低下しない。
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始めているときに、すなわ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により輝炎を発することなく酸化除去される。したがって第二の実施例では排出微粒子量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）に示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われないように、すなわち排出微粒子量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およびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを維持するようにしている。
【００３８】
特に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、したがってこのときには排出微粒子量Ｍのほうが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。したがって実際の運転を考えると第二の実施例のほうが現実に合っていると考えられる。
一方、第一の実施例または第二の実施例を実行しうるように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを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または全体の空燃比を一時的にリッチにすることにより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。
【００３９】
すなわち排気ガスの空燃比がリーンである状態が一定期間に亘って継続すると白金Ｐｔ上に酸素が多量に付着し、このために白金Ｐｔの触媒作用が低下してしまう。ところが排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させると白金Ｐｔから酸素が除去され、斯くして白金Ｐｔの触媒作用が回復する。これにより排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出されやすくなる。斯くして一気に放出された活性酸素Ｏにより堆積している微粒子が酸化されやすい状態に変質せしめられると共に微粒子が活性酸素により輝炎を発することなく一気に燃焼除去される。斯くして排気ガスの空燃比をリッチとすると全体として酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。なおこの場合、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、微粒子が積層状に堆積しているか否かに係わらず周期的に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよい。
【００４０】
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の開度および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。
【００４１】
以上説明した内燃機関の運転制御ルーチンの一例を図６に示した。
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。
【００４２】
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。
【００４３】
ところで燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、したが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。したが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。
【００４４】
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またはアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ３はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ２ＳＯ４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。したが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。したが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またはアルカリ土類金属、すなわちカリウム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。
【００４５】
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ＮＯ２またはＳＯ３から活性酸素が放出される。
【００４６】
また活性酸素放出剤としてＮＯ２またはＳＯ３を吸着保持し、これら吸着されたＮＯ２またはＳＯ３から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
次に図７〜図１０を参照して本実施例のバイパス機構を説明する。排気管２０ａは排気流切換え管８０に接続される。排気流切換え管８０は三つの開口を有し、これら開口はそれぞれ第一の排気枝管８１ａと、第二の排気枝管８１ｂと、排気管８２とに接続される。すなわち排気流切換え管８０において一対の第一の排気枝管８１ａと第二の排気枝管８１ｂとが排気管２０ａから分岐する。第一の排気枝管８１ａはパティキュレートフィルタ２２の一方の端部に接続され、第二の排気枝管８１ｂはパティキュレートフィルタ２２の他方の端部に接続される。すなわち第一の排気枝管８１ａと第二の排気枝管８１ｂとは互いに接続されてループ状の排気通路を形成し、このループ状の排気通路内にパティキュレートフィルタ２２が配置される。以下、説明の便宜のために第一の排気枝管８１ａが接続されるパティキュレートフィルタ２２の端部を第一の端部と称し、第二の排気枝管８１ｂが接続されるパティキュレートフィルタ２２の端部を第二の端部と称する。
【００４７】
排気流切換え管８０内には切換弁８０ａが配置される。切換弁８０ａはその回動位置を変えることにより排気ガスを第一の排気枝管８１ａを介してパティキュレートフィルタ２２の第一の端部に流入させるか、或いは第二の排気枝管８１ｂを介してパティキュレートフィルタ２２の第二の端部に流入させるか、或いはパティキュレートフィルタ２２に全く流入させずに直接排気管８２に流入させるかを切り換えることができる。すなわち切換弁８０ａは図７に示した第一の回動位置に位置決めされたときには排気流切換え管８０の上流の排気ガスを図７の矢印で示したように第一の排気枝管８１ａを介してパティキュレートフィルタ２２の第一の端部からパティキュレートフィルタ２２に流入させる。パティキュレートフィルタ２２の第一の端部から流入した排気ガスは第二の端部から流出し、第二の排気枝管８１ｂを介して排気流切換え管８０の下流の排気管８２に流出する。また切換弁８０ａは図９に示した第二の回動位置に位置決めされたときには排気流切換え管８０の上流の排気ガスは図９の矢印で示したように第二の排気枝管８１ｂを介してパティキュレートフィルタ２２の第二の端部からパティキュレートフィルタ２２に流入させる。そしてパティキュレートフィルタ２２の第二の端部から流入した排気ガスは第一の端部から流出し、第一の排気枝管８１ａを介して排気流切換え管８０の下流の排気管８２に流出する。
【００４８】
本実施例では後述にて詳細に説明する所定の時期毎に切換弁８０ａの回動位置を第一の回動位置と第二の回動位置との間で切り換え、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの向きを変更するようにする。これによれば微粒子がパティキュレートフィルタ２２内において、或いは隔壁５４内において流動するので微粒子を良好に酸化除去することができる。
【００４９】
また切換弁８０ａは図１０に示した第一の回動位置と第二の回動位置との丁度中間に位置する中立位置に位置決めされたときには排気流切換え管８０の上流の排気ガスを図１０の矢印で示したようにパティキュレートフィルタ２２に流入させることなく直接排気流切換え管８０の下流の排気管８０に流入させる。この中立位置においてはパティキュレートフィルタ２２の第一の端部側の排気ガス圧力と第二の端部側の排気ガス圧力とが略等しいので排気ガスはパティキュレートフィルタ２２には殆ど流入しない。斯くして排気ガスにパティキュレートフィルタ２２をバイパスさせ、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量を略零とすることができる。
【００５０】
ところで上述した排気ガス浄化方法を用いてパティキュレートフィルタ２２において微粒子を酸化除去してもなおパティキュレートフィルタ２２の表面に微粒子が堆積することがある。このようにパティキュレートフィルタ２２の表面に堆積した微粒子（以下、堆積微粒子）をそのまま放置しておくとやがてはパティキュレートフィルタ２２の表面を覆い、排気ガスがパティキュレートフィルタ２２を通過することができなくなってしまう可能性がある。そこで本発明では微粒子がパティキュレートフィルタ２２の表面に所定量以上に堆積したときには堆積微粒子を強制的に酸化させるか、或いは徐々に燃焼させてパティキュレートフィルタ２２から除去するようにする。堆積微粒子を酸化させるか、或いは徐々に燃焼させるにはパティキュレートフィルタ２２の温度を或る一定の温度（例えば微粒子を酸化させることができる微粒子酸化可能温度）まで上昇させればよい。ここでパティキュレートフィルタ２２の温度を上昇させるためには例えばパティキュレートフィルタ２２に酸素と炭化水素とを供給し、これら酸素と炭化水素とをパティキュレートフィルタ２２内において燃焼させればよい。また内燃機関が後述にて詳細に説明する低温燃焼を実行しているときには比較的高温の排気ガスが内燃機関から排出されるので内燃機関に低温燃焼を実行させることによってもパティキュレートフィルタの温度を上昇させることができる。
【００５１】
ところで本実施例では堆積微粒子量が比較的多いときにはパティキュレートフィルタ２２の温度を例えば微粒子酸化可能温度まで上昇させる昇温処理を実行し、堆積微粒子を強制的に酸化させるか、或いは徐々に燃焼させるようにしているが当該昇温処理中に堆積微粒子が一気に燃焼することも考えられる。また昇温処理中でなくてもパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子が火炎を発して一気に着火燃焼する微粒子着火温度よりも高くなると堆積微粒子が一気に燃焼することも考えられる。こうした場合にはパティキュレートフィルタ２２の温度が急激に上昇し、微粒子の燃焼熱によりパティキュレートフィルタ２２の一部が溶けてしまう溶損という損傷が生じたり、溶損が生じないとしてもパティキュレートフィルタ２２に担持された活性酸素放出剤の熱劣化が生じたりする可能性がある。こうした溶損や熱劣化（以下、溶損を含めて熱劣化と称す。）を回避するためには堆積微粒子を燃焼させなければよいが、堆積微粒子を燃焼させなければ堆積微粒子量が徐々に多くなり、パティキュレートフィルタ２２における微粒子酸化能力が低下し、やがてはパティキュレートフィルタ２２が微粒子を酸化除去することができなくなってしまう。またパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４の細孔が目詰まりしてしまえば排気ガスがパティキュレートフィルタ２２を通過することができなくなってしまう。
【００５２】
そこで本実施例ではパティキュレートフィルタ２２が熱劣化するか否かを判別し、パティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性がある場合には切換弁８０ａの回動位置を中立位置とし、排気ガスにパティキュレートフィルタ２２をバイパスさせ、パティキュレートフィルタ２２に酸素が供給されないようにし、斯くして堆積微粒子を燃焼させないようにし、一方、パティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性がない場合には排気ガスをパティキュレートフィルタ２２に流入させ、パティキュレートフィルタ２２に酸素を供給し、斯くして堆積微粒子を燃焼させるようする。
【００５３】
次に本実施例においてパティキュレートフィルタが熱劣化するか否かを如何に判別するかについて説明する。通常、堆積微粒子量が多いほど堆積微粒子が一気に燃焼したときに発生する熱量が多いのでパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性は高い。すなわち堆積微粒子量に基づいてパティキュレートフィルタ２２が熱劣化するか否かを判別することができる。従来、堆積微粒子量はパティキュレートフィルタ２２の上流側の排気ガス圧力と下流側の排気ガス圧力との差（圧損）から推定することができると考えられていたが、最近の研究では圧損が小さくても堆積微粒子量が多いことがあることが判明してきた。これは微粒子ＰＭが図１１に示したように隔壁５４上に堆積し、堆積微粒子が隔壁５４の細孔の入口を塞がないことがあるからである。ところでパティキュレートフィルタ２２の熱劣化を引き起こす原因としては主に堆積微粒子の燃焼により発熱する熱量が多いことと、パティキュレートフィルタ２２から放熱される熱量が少ないこととの二つが考えられる。堆積微粒子の燃焼により発生する熱量はパティキュレートフィルタ２２に流入する酸素量が多いほど多くなる。またパティキュレートフィルタ２２から放熱される熱量はパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガス量が少ないほど少なくなる。
【００５４】
そこで本発明においてはパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子着火温度以上であるという条件下においてパティキュレートフィルタ２２に流入する酸素量が比較的多いとき、或いはパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガス量が比較的少ないときにパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性があると判別する。一方、パティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子着火温度以上であるという条件下においてもパティキュレートフィルタ２２に流入する酸素量が比較的少ないとき、或いはパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガス量が比較的多いときにはパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性はないと判別する。このようにパティキュレートフィルタの熱劣化の可能性を考慮すればパティキュレートフィルタ２２を熱劣化させることなく且つ堆積微粒子をパティキュレートフィルタから除去することができる。
【００５５】
次に上述した本発明の熱劣化防止処理と堆積微粒子酸化処理とを含む切換弁制御について図１２〜図１５を参照してさらに詳細に説明する。切換弁８０ａの回動位置は図１２のフローチャートに従って第一の回動位置から第二の回動位置、或いは第二の回動位置から第一の回動位置に切り換えられる。すなわち初めにステップ２００において切換弁８０ａの回動位置を切り換える時期にあるか否かが判別される。この時期は例えば一定時間間隔毎、或いはパティキュレートフィルタ２２に流入した微粒子の量が或る一定の量に達する毎、或いは機関減速時である。ステップ２００において切換弁８０ａの回動位置を切り換える時期であると判別されたときにはステップ２０１に進んで切換弁８０ａの切換えを実行する。一方、ステップ２００において切換弁８０ａの回動位置を切り換える時期ではないと判別されたときには切換弁８０ａの切換えを実行せずにステップ２０２に進む。
【００５６】
ステップ２０２ではパティキュレートフィルタ２２に流入した微粒子の量（以下、流入微粒子量）Ａｐｍが予め定められた量ＡｐｍＴＨを越えた（Ａｐｍ＞ＡｐｍＴＨ）か否かが判別される。ここで流入微粒子量は排出微粒子量の積算値、或いはパティキュレートフィルタ２２による圧力損失、或いは酸化除去可能微粒子量と排出微粒子量との差、或いは微粒子濃度を検出するためにパティキュレートフィルタ２２下流側に設けた微粒子濃度センサの出力値から算出する。ステップ２０２においてＡｐｍ＞ＡｐｍＴＨであると判別されたときにはステップ２０３に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度を微粒子酸化可能温度まで上昇させ、堆積微粒子を酸化させるための昇温処理が実行される。一方、ステップ２０２においてＡｐｍ≦ＡｐｍＴＨであると判別されたときには昇温処理を実行せずにステップ２０４に進む。ステップ２０４では図１３のフローチャートに従って熱劣化防止処理が実行される。
【００５７】
次に図１３を参照して熱劣化防止処理について説明する。初めにステップ３００においてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが予め定められた温度（例えば微粒子着火温度）ＴＦＴＨよりも高い（ＴＦ＞ＴＦＴＦ）か否かが判別される。ステップ３００においてＴＦ≦ＴＦＴＦであると判別されたときにはパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性は全くないと判断し、そのままルーチンを終了する。一方、ステップ３００においてＴＦ＞ＴＦＴＦであると判別されたときにはステップ３０１に進んで図１４のマップに基づいて現在の機関運転領域Ａが危険領域Ｄにある（Ａ＝Ｄ）か否かが判別される。図１４のマップにおいてＤはパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性がある危険領域を示し、Ｓはパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性がない安全領域を示す。
【００５８】
図１４（Ａ）は空燃比が理論空燃比よりもリーンの状態で内燃機関が運転せしめられているときに用いられるマップである。図１４（Ａ）のマップによれば吸気量Ｇａが少ないほどパティキュレートフィルタ２２を通過する排気ガス量が少なく、したがってパティキュレートフィルタ２２から熱が放熱されないので機関運転領域Ａが危険領域Ｄにあると判定される可能性が高くなる。また排気ガス中の酸素濃度Ｃｏが高いほどパティキュレートフィルタ２２に流入する酸素量が多いので機関運転領域Ａが危険領域Ｄにあると判定される可能性が高くなる。また危険領域Ｄと安全領域Ｓとを分割するラインＬｄｓは排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度Ｃｈｃが高いほど安全領域Ｓ側に移動する。すなわち排気ガス中のＨＣ濃度Ｃｈｃが高いほど熱劣化する可能性が高くなる。
【００５９】
一方、図１４（Ｂ）は空燃比が理論空燃比に非常に近いリーンの状態で、或いは理論空燃比近傍で、或いはリッチの状態で内燃機関が運転せしめられているときに用いられるマップである。図１４（Ｂ）のマップにおいても吸気量Ｇａが少ないほど機関運転領域Ａが危険領域Ｄにあると判定される可能性が高くなり、排気ガス中の酸素濃度Ｃｏが高いほど機関運転領域Ａが危険領域Ｄにあると判定される可能性が高くなる。しかしながら危険領域Ｄと安全領域Ｓとを分割するラインＬｄｓは排気ガス中のＨＣ濃度Ｃｈｃが高いほど危険領域Ｄ側に移動する。すなわち排気ガス中のＨＣ濃度Ｃｈｃが低いほど熱劣化する可能性が高くなる。
【００６０】
このように空燃比によって排気ガス中のＨＣ濃度の変化に対する熱劣化の可能性の変化が異なるのは空燃比がリーンの状態で内燃機関が運転せしめられているときには排気ガス中の酸素濃度が高いので排気ガス中のＨＣ濃度が高くなって排気ガス中の酸素がＨＣとの反応により消費されたとしてもパティキュレートフィルタ２２において堆積微粒子が一気に燃焼するに足るだけの量の酸素が残っており、しかも排気ガス中のＨＣ濃度が高くなれば酸素と反応するＨＣ量も多く、したがってこれらＨＣと酸素との反応によりパティキュレートフィルタ２２の温度が大きく上昇せしめられ、斯くして熱劣化の可能性が増し、一方、空燃比が理論空燃比に非常に近いリーンの状態、或いは理論空燃比近傍で、或いはリッチの状態で内燃機関が運転せしめられているときには元々排気ガス中の酸素量が少ないので排気ガス中のＨＣ濃度が高くなって排気ガス中のＨＣが酸素と反応すると排気ガス中に残る酸素の量が堆積微粒子を一気に燃焼させるには不足な量となり、斯くして空燃比がリーンの状態で内燃機関が運転せしめられている場合とは逆に熱劣化の可能性は低くなる。
【００６１】
ステップ３０１においてＡ＝Ｄであると判別されたときにはパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性があると判断し、ステップ３０２に進んで切換弁８０ａの回動位置を中立位置とする切換弁制御を実行し、ステップ３０３に進む。ステップ３０３では機関運転領域Ａが安全領域Ｓにある（Ａ＝Ｓ）か否かが判別される。ステップ３０３においてＡ＝Ｓであると判別されたときにはステップ３０４に進む。一方、ステップ３０３においてＡ≠Ｓであると判別されたとき、すなわち未だＡ＝Ｄであると判別されたときにはステップ３０３においてＡ＝Ｓであると判別されるまでステップ３０３が繰り返される。したがってステップ３０２において切換弁８０ａの回動位置が中立位置に位置決めされた後ではステップ３０３においてＡ＝Ｓであると判別されるまで切換弁８０ａの回動位置は中立位置に固定される。
【００６２】
ステップ３０１においてＡ≠Ｄであると判別されたとき、すなわちＡ＝Ｓであると判別されたときにはパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性はないと判断し、ステップ３０４に進む。
ところでステップ３０３においてＡ＝Ｓと判別され、パティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性がないと判断された場合にはルーチンを終了して図１２に示した切換弁制御に戻るようにしてもパティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性はないと考えられる。しかしながら本フローチャートではパティキュレートフィルタ２２が熱劣化することを確実に防止するためにステップ３０４以降のステップを追加している。すなわちステップ３０３において機関運転領域Ａが安全領域Ｓにあるからといってもパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは依然として予め定められた温度ＴＦＴＨよりも高い。或いはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが予め定められた温度ＴＦＴＨよりも低いとしても局所的には高い可能性もある。この状況で図１３のルーチンを終了して切換弁８０ａが第一の回動位置と第二の回動位置との間で切り換えられるようにすると切換弁８０ａが切り換えられることにより排気ガスの流入方向の逆転が継続的に行われるのでパティキュレートフィルタ２２の中央に局所的に熱が集まり、堆積微粒子が一気に燃焼し始める可能性がある。そこで本発明では堆積微粒子が一気に燃焼し始める可能性がないこと（安全度）をパティキュレートフィルタ２２に流入した排気ガスの温度と、排気ガスの量と、酸素の量と、ＨＣの量とに基づいて数値化し、安全度が高くなったときにのみ図１３のルーチンを終了し、図１２のルーチンに復帰するようにする。
【００６３】
このためにステップ３０３においてＡ＝Ｓと判別され、パティキュレートフィルタ２２が熱劣化する可能性がないと判断されたときにはステップ３０４に進んで切換弁８０ａを第一の回動位置または第二の回動位置のいずれか一方に位置決めし、ステップ３０５に進む。ステップ３０５では図１５のフローチャートに従って算出される安全カウンタＣＳが予め定められた値ＣＳＴＨよりも大きい（ＣＳ＞ＣＳＴＨ）か否かが判別される。図１５のフローチャートでは初めにステップ４００においてパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの温度Ｔｅｘが予め定められた温度ＴｅｘＴＨより低い（Ｔｅｘ＜ＴｅｘＴＨ）か否かが判別される。ステップ４００においてＴｅｘ＜ＴｅｘＴＨであると判別されたときにはステップ４０１に進んで安全カウンタＣＳをカウントアップし、ステップ４０２に進む。一方、ステップ４００においてＴｅｘ≧ＴｅｘＴＨであると判別されたときには直接ステップ４０２に進む。
【００６４】
ステップ４０２ではパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量Ｇｅｘが予め定められた量ＧｅｘＴＨよりも多い（Ｇｅｘ＞ＧｅｘＴＨ）か否かが判別される。ステップ４０２においてＧｅｘ＞ＧｅｘＴＨであると判別されたときにはステップ４０３に進んで安全カウンタＣＳをカウントアップし、ステップ４０４に進む。一方、ステップ４０２においてＧｅｘ≦ＧｅｘＴＨであると判別されたときには直接ステップ４０４に進む。
【００６５】
ステップ４０４ではパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガス中の酸素量Ｃｏが予め定められた量ＣｏＴＨよりも少ない（Ｃｏ＜ＣｏＴＨ）か否かが判別される。ステップ４０４においてＣｏ＜ＣｏＴＨであると判別されたときにはステップ４０５に進んで安全カウンタＣＳをカウントアップし、ステップ４０６に進む。一方、ステップ４０４においてＣｏ≧ＣｏＴＨであると判別されたときには直接ステップ４０６に進む。
【００６６】
ステップ４０６ではパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガス中のＨＣ濃度Ｃｈｃが予め定められた濃度ＣｈｃＴＨよりも少ない（Ｃｈｃ＜ＣｈｃＴＨ）か否かが判別される。ステップ４０６においてＣｈｃ＜ＣｈｃＴＨであると判別されたときにはステップ４０７に進んで安全カウンタＣＳをカウントアップし、ルーチンを終了する。一方、ステップ４０６においてＣｈｃ≧ＣｈｃＴＨであると判別されたときには直接ルーチンを終了する。
【００６７】
斯くして算出された安全カウンタＣＳに基づいて図１３のステップ３０５においてＣＳ＞ＣＳＴＨであると判別されたときには堆積微粒子が一気に燃焼し始める可能性は殆どないと判断し、ステップ３０６において安全カウンタＣＳをリセットし、ルーチンを終了する。一方、ステップ３０５においてＣＳ≦ＣＳＴＨであると判別されたときには堆積微粒子が一気に燃焼し始める可能性があると判断し、ステップ３０１に戻る。このようにステップ３０１に戻るのは堆積微粒子が一気に燃焼し始める可能性のある現在の状況では機関運転領域Ａが危険領域Ｄとなる可能性があり、したがってたとえ機関運転領域Ａが危険領域Ｄとなったとしてもパティキュレートフィルタ２２の熱劣化を確実に防止することができるからである。
【００６８】
なお上述した熱劣化防止処理ではステップ３０４において切換弁８０ａの回動位置を第一回動位置または第二回動位置に固定した後に現状の機関運転状態にて安全度が或る閾値よりも大きくなるまで切換弁８０ａの回動位置を固定したままとしているが、パティキュレートフィルタ２２に水または窒素を噴射するための噴射装置を配置し、当該噴射装置から水または窒素をパティキュレートフィルタ２２に噴射してパティキュレートフィルタ２２の温度を強制的に低下させ、斯くして安全度を或る閾値よりも大きくするようにしてもよい。また安全度の代わりに単にパティキュレートフィルタ２２の温度のみを用いてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが予め定められた温度ＴＦＴＨよりも低くなったとき、或いは予め定められた温度ＴＦＴＨよりも低い温度よりもさらに低くなったときに図１２に示したフローチャートにルーチンを戻すようにしてもよい。
【００６９】
次に低温燃焼について説明する。ＥＧＲ率を増大していくと微粒子の発生量が次第に増大してピークに達し、さらにＥＧＲ率を高めていくと今度は微粒子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した図１６を参照して説明する。図１６において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温度を略９０℃に維持した場合を示し、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、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的には冷却していない場合を示す。
【００７０】
図１６の曲線Ａで示したように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微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率を略５５パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。一方、図１６の曲線Ｂで示したように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微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率を略６５パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。また図１６の曲線Ｃで示したように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微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率を略７０パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。このようにＥＧＲ率を５５パーセント以上にすると微粒子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の温度がさほど高くならず、いわゆる低温燃焼が行われ、その結果、炭化水素が煤まで成長しないからである。
【００７１】
この低温燃焼は空燃比に係わらずに微粒子の発生を抑制しつつＮＯＸの発生量を低減することができるという特徴を有する。すなわち空燃比が理論空燃比よりも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ので過剰な燃料は煤までは成長せず、斯くして微粒子が発生することがない。またこのときＮＯＸも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比が理論空燃比よりもリーン、或いは空燃比が理論空燃比とされたときに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ので微粒子は全く発生せず、ＮＯＸも極めて少量しか発生しない。
【００７２】
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度は低くなるが排気ガスの温度は上昇する。このことについて図１７を参照して説明する。図１７（Ａ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示し、図１７（Ａ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示す。また図１７（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度Ｔｆとクランク角との関係を示し、図１７（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度Ｔｆとクランク角との関係を示す。
【００７３】
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、したがって図１７（Ａ）に示したように圧縮上死点前、すなわち圧縮行程中は実線で示した低温燃焼時における平均ガス温度Ｔｇのほうが破線で示した通常の燃焼時における平均ガス温度Ｔｇよりも高くなっている。なおこのとき図１７（Ｂ）に示したように燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは平均ガス温度Ｔｇと略等しい温度になっている。
【００７４】
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１７（Ｂ）の実線で示したように燃料およびその周囲のガス温度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１７（Ｂ）の破線で示したように燃料およびその周囲のガス温度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度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ほうが低くなっており、したがって図１７（Ａ）に示したように圧縮上死点付近における燃焼室５内の平均ガス温度Ｔｇは低温燃焼が行われている場合のほう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１７（Ａ）に示したように燃焼が完了した後の燃焼室５内の平均ガス温度は低温燃焼が行われた場合のほう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の温度が高くなる。
【００７５】
次に本発明の別の熱劣化防止処理について説明する。本実施例では機関運転領域が危険領域にあると判別されたときに即座に排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせるのではなく、諸事情（燃費や機関要求負荷など）を考慮したときに許容される範囲内で機関運転状態を変更することにより機関運転領域を安全領域に移行することができるか否かを判別し、機関運転領域を安全領域に移行することができるときには機関運転領域が安全領域に移行するように機関運転状態を変更する。このためには機関運転領域が安全領域にあるか危険領域にあるかを決定するパラメータがパティキュレートフィルタ２２の温度と排気ガス中の酸素濃度と吸気量と排気ガス中のＨＣ濃度とであるので機関運転領域を安全領域に移行するためにはパティキュレートフィルタ２２の温度を低下させるか、或いは排気ガス中の酸素濃度を低下させるか、或いは吸気量を増大させるか、或いは内燃機関が比較的大きな空燃比で運転せしめられている場合には排気ガス中のＨＣ濃度を小さく、内燃機関が比較的小さな空燃比で運転せしめられている場合には排気ガス中のＨＣ濃度を大きくするかすればよい。ここでパティキュレートフィルタ２２の温度を低下させるためには例えば燃料噴射弁からの燃料噴射圧力を増大させ且つ燃料噴射時期を早めればよい。また吸気量を増大させるためには例えばＥＧＲ率を小さくするか、場合によってはＥＧＲ率を零とするか、或いは内燃機関が自動変速機を備えている場合には変速比を現在の変速比よりも大きくして機関回転数を増大させればよい。ここでＥＧＲ率を零とする場合には燃焼室５内における燃料の燃焼速度が非常に速くなり、したがって燃焼音が許容限度よりも大きくなることがあるので燃焼室５内に燃料を噴射する前に予備的に少量の燃料を噴射するいわゆるパイロット噴射を実行するか、或いは燃料噴射圧力を低下させて燃焼音の増大を抑制するようにすることが好ましい。また排気ガス中の酸素濃度を低下させるためには空燃比を小さくするか、或いはＥＧＲ率を大きくするかすればよい。ここで空燃比を小さくする場合には内燃機関が上述した低温燃焼を実行しているか、或いは内燃機関の膨張行程に機関駆動用の燃料噴射とは別に燃料を噴射する膨張行程噴射を実行しており、現状において内燃機関が比較的小さな空燃比で運転せしめられていることが好ましい。
【００７６】
斯くして機関運転状態を変更することにより微粒子を含む排気ガスをパティキュレートフィルタ２２を通さずに大気に直接放出させなければならないことを回避することができる。もちろん機関運転状態を如何に変更しても機関運転領域を安全領域に移行することができないときには排気ガスにパティキュレートフィルタ２２をバイパスさせ、一つ目の熱劣化防止処理と同様な制御を実行する。
【００７７】
この二つ目の熱劣化防止処理を実行するためのフローチャートを図１８に示した。なお図１８のフローチャートにおいてステップ４０１ａおよび４０１ｂ以外のステップ４００〜ステップ４０６は図１３のステップ３００〜ステップ３０６に対応する。図１８のフローチャートによればステップ４０１において機関運転領域Ａが危険領域Ｄにある（Ａ＝Ｄ）であると判別されたときにはステップ４０１ａに進んで機関運転状態を変更することにより機関運転領域Ａを安全領域Ｓに移行することができるか否かが判別される。ステップ４０１ａにおいて機関運転領域Ａを安全領域Ｓに移行することができると判別されたときにはステップ４０１ｂに進んで機関運転領域Ａが安全領域Ｓとなるように機関運転状態を変更する。一方、ステップ４０１ａにおいて機関運転領域Ａを安全領域Ｓに移行することができないと判別されたときにはステップ４０２に進む。残りのステップは図１３のステップと同じであるので説明は省略する。
【００７８】
なおパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量を少なくすべきときにパティキュレートフィルタ２２において堆積微粒子を一気にではなく徐々に燃焼させるために図７〜図１０に示したバイパス機構を用いてパティキュレートフィルタ２２に僅かに排気ガスを流入させるようにしてもよい。この場合には切換弁８０の回動位置を上記中間位置よりも僅かに第一の回動位置、或いは第二の回動位置のいずれかに近い位置に位置決めする。こうすればパティキュレートフィルタ２２の第一の端部側の排気ガス圧力と第二の端部側の排気ガス圧力との間に小さな差圧が発生するので排気ガスが僅かではあるがパティキュレートフィルタ２２に流入することになる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、パティキュレートフィルタが熱劣化することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図３】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図４】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図５】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６】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図７】切換弁が第一回動位置とされているバイパス機構を示した平面図である。
【図８】図７に示したバイパス機構の側面図である。
【図９】切換弁が第二回動位置とされているバイパス機構の平面図である。
【図１０】切換弁が中立位置とされているバイパス機構の平面図である。
【図１１】堆積微粒子を示す図である。
【図１２】切換弁の回動位置を制御するためのフローチャートである。
【図１３】熱劣化防止処理を実行するためのフローチャートである。
【図１４】危険領域と安全領域とを酸素濃度と吸気量とＨＣ濃度とに基づいて求めるためのマップである。
【図１５】安全カウンタを計数するためのフローチャートである。
【図１６】ＥＧＲ率と微粒子発生量との関係を示した図である。
【図１７】（Ａ）はクランク角と燃焼室内の平均ガス温度との関係を示した図であり、（Ｂ）はクランク角と燃焼周囲のガス温度との関係を示した図である。
【図１８】別の熱劣化防止処理を実行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
８０ａ…切換弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a diesel engine, in order to remove particulates contained in the exhaust gas, a particulate filter is disposed in the engine exhaust passage, and particulates in the exhaust gas are once collected by this particulate filter, and the particulate filter The particulate filter is regenerated by igniting and burning the fine particles collected above. However, the fine particles collected on the particulate filter do not ignite and burn unless they reach a high temperature of about 600 ° C. or higher. In contrast, 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. Therefore, a technique for igniting and burning the collected fine particles even at a relatively low temperature is known (see, for example, Japanese Patent Publication No. 7-106290). This known technique is intended to continuously burn and remove the deposited fine particles by igniting and burning the fine particles from a low temperature.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, even when fine particles in the exhaust gas are removed by the exhaust gas purification method described in Japanese Patent Publication No. 7-106290 described above, fine particles may be deposited on the surface of the particulate filter. Here, when some of the fine particles that have accumulated on the surface of the particulate filter start to burn, the remaining fine particles start to burn at a stretch. There is a possibility of erosion due to combustion heat or thermal deterioration even before the erosion occurs.
[0004]
In view of these problems, an object of the present invention is to prevent the particulate filter from being melted by the heat of combustion of fine particles deposited on the surface of the particulate filter, or the catalyst carried on the particulate filter from being thermally deteriorated.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first invention,In the exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region, and the oxygen concentration in the exhaust gas is set in advance. The engine operating state is changed to a first region higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and when the engine operating region is in the first region, the second region is changed to the second region. When the engine operating state cannot be changed so that the engine operating region is in the first region, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is set to be larger than a predetermined amount. Reduce.
[0007]
To achieve the above objective,2According to a second aspect of the invention, there is provided an exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the exhaust gas is exhausted. The gas is divided into a first region where the oxygen concentration in the gas is higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and flows into the particulate filter when the engine operation region is in the first region. In the exhaust gas purification method in which the amount of exhaust gas is made smaller than a predetermined amount, the predetermined concentration is set according to the amount of air flowing into the combustion chamber, and the higher the amount of air, the higher the amount. Is set.
[0008]
To achieve the above objective,3According to a second aspect of the invention, there is provided an exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the exhaust gas is exhausted. The gas is divided into a first region where the oxygen concentration in the gas is higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and flows into the particulate filter when the engine operation region is in the first region. In the exhaust gas purification method in which the amount of exhaust gas is less than a predetermined amount, the predetermined concentration is set according to the concentration of hydrocarbons in the exhaust gas, and the air-fuel ratio of the exhaust gas is When lean, the higher the hydrocarbon concentration, the lower is set, and when the air-fuel ratio of the exhaust gas is near the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the hydrocarbon Concentration is high set higher.
[0009]
To achieve the above objective,4According to a second aspect of the invention, there is provided an exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the exhaust gas is exhausted. When the oxygen concentration in the gas is divided into a first region in which the oxygen concentration is higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and the engine operation region is in the first region, the particulate matter is contained in the exhaust gas. By exhausting the filter, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made substantially zero so that the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made smaller than a predetermined amount. The first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are branched from the engine exhaust passage. Are connected to each other on the downstream side of the branching point where they branch off to form a loop-shaped exhaust passage, and the particulate filter is disposed in the loop-shaped exhaust passage, and the exhaust gas is passed through A switching valve that can be rotated is arranged at the branch point to switch between the one exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe to be flown into the particulate filter. When in the moving position, the exhaust gas upstream of the branch point flows into the particulate filter via the first exhaust branch pipe, and the engine exhaust passage downstream of the branch point from the particulate filter via the second exhaust branch pipe When the second rotational position is reached, the exhaust gas upstream of the branch point flows into the particulate filter via the second exhaust branch pipe, and the first particulate filter passes through the first particulate filter. When exhausted to the engine exhaust passage downstream of the branch point via the air branch pipe and set to the neutral position between the first rotational position and the second rotational position, the exhaust gas upstream of the branch point is downstream of the branch point. The exhaust gas is allowed to flow directly into the engine exhaust passage, and the particulate filter is bypassed to the exhaust gas by setting the switching valve to the neutral position.
[0010]
To achieve the above objective,5According to a second aspect of the invention, there is provided an exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the exhaust gas is exhausted. The gas is divided into a first region in which the oxygen concentration in the gas is higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region. When the engine operation region is in the first region, the second region is used. In the exhaust gas purification method in which the engine operating state is changed as described above, the predetermined concentration is set according to the amount of air flowing into the combustion chamber, and is set higher as the amount of air increases.
[0011]
To achieve the above objective,6According to a second aspect of the invention, there is provided an exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the exhaust gas is exhausted. The gas is divided into a first region in which the oxygen concentration in the gas is higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region. When the engine operation region is in the first region, the second region is used. In the exhaust gas purification method in which the engine operating state is changed as described above, the predetermined concentration is set according to the concentration of hydrocarbons in the exhaust gas, and the carbonization is performed when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean. The higher the hydrogen concentration, the lower the setting. When the air-fuel ratio of the exhaust gas is near the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the higher the hydrocarbon concentration, the higher the setting.
[0012]
7In the second invention, 1 to3In any one of the second inventions, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made smaller than a predetermined amount by making the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter substantially zero.
8In the second invention,7In the second invention, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made substantially zero by bypassing the particulate filter to the exhaust gas.
9In the second invention,8In the second aspect, the first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are branched from the engine exhaust passage, and the first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are branched from each other. Are connected to each other downstream to form a loop-shaped exhaust passage, the particulate filter is disposed in the loop-shaped exhaust passage, and exhaust gas is passed through the first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe. A switching valve that can be rotated is arranged at the branch point to switch the flow through the particulate filter, and when the switching valve is at the first rotation position, exhaust gas upstream of the branch point is disposed. The particulate filter was caused to flow into the particulate filter through the first exhaust branch pipe, and from the particulate filter to the engine exhaust passage downstream of the branch point through the second exhaust branch pipe, to be in the second rotational position. Sometimes upstream The gas is caused to flow into the particulate filter via the second exhaust branch pipe, and from the particulate filter to the engine exhaust passage downstream of the branch point via the first exhaust branch pipe. The exhaust gas upstream of the branch point flows directly into the engine exhaust passage downstream of the branch point, and the switching valve is set to the neutral position so that the exhaust gas is particulated. Bypass the filter.
[0013]
10In the second invention,1-3In any one of the second inventions, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made smaller than a predetermined amount by reducing the amount of air flowing into the combustion chamber.
11In the second invention, 1 to10In any one of the second inventions, a noble metal catalyst is supported on the particulate filter.
12In the second invention,11In the second aspect of the invention, the particulate filter carries an active oxygen release agent that takes in oxygen when excess oxygen is present and retains oxygen, and releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. Then, when the fine particles adhere to the particulate filter, the active oxygen is released from the active oxygen release agent, and the fine particles adhering to the particulate filter are oxidized by the released active oxygen.
13In the second invention,12In the second invention, the active oxygen release agent comprises an alkali metal, an alkaline earth metal, a rare earth, a transition metal, or a carbon group element.
14In the second invention,13In the second invention, the alkali metal and alkaline earth metal are made of a metal having a higher ionization tendency than calcium.
15In the second invention,12In the second aspect, particulates adhering to the particulate filter are oxidized by temporarily enriching part or all of the air-fuel ratio of the exhaust gas.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine. The present invention can also be applied to a spark ignition 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 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to a compressor 15 of an exhaust turbocharger 14 via an intake duct 13. A mass flow meter 13 a for detecting the mass flow rate of the sucked air is attached to the intake pipe 13 b on the upstream side of the compressor 15. 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 in the intake duct 13 is arranged around the intake duct 13. In the embodiment shown in FIG. 1, engine cooling water is guided into the cooling device 18, and the intake air is cooled by this engine cooling water. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an exhaust turbine 21 of an exhaust turbocharger 14 via an exhaust manifold 19 and an exhaust pipe 20, and an outlet of the exhaust turbine 21 is connected to a casing 23 containing a particulate filter 22 via an exhaust pipe 20a. Connected.
[0015]
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. 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, engine cooling water is guided into the cooling device 26, and the EGR gas is cooled by this engine cooling water. On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected to a fuel reservoir, so-called common rail 27, through a fuel supply pipe 6a. Fuel is supplied into the common rail 27 from an electrically controlled fuel pump 28 with variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 27 is supplied to the fuel injection valve 6 via each fuel supply pipe 6a. A fuel pressure sensor 29 for detecting the fuel pressure in the common rail 27 is attached to the common rail 27, and a fuel pump 28 is configured 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. The discharge amount is controlled.
[0016]
The electronic control unit 30 comprises a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31. 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. It comprises. The output signal of the fuel pressure sensor 29 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Further, 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. The output signal of the mass flow meter 13a 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 depression amount 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 corresponding drive circuits 38.
[0017]
FIG. 2 shows the structure of the particulate filter 22. 2A is a front view of the particulate filter 22, and FIG. 2B is a side sectional view of the particulate filter 22. As shown in FIG. As shown in FIGS. 2A and 2B, the particulate filter 22 has a honeycomb structure and includes a plurality of exhaust flow passages 50 and 51 extending in parallel with each other. These exhaust flow passages include 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.
[0018]
In FIG. 2A, hatched portions indicate plugs 53. Therefore, the exhaust gas inflow passage 50 and the exhaust gas outflow passage 51 are alternately arranged via the thin partition walls 54. 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. Arranged so that.
[0019]
The particulate filter 22 is made of, for example, a porous material such as cordierite. Therefore, the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 50 is contained in the surrounding partition wall 54 as indicated by an arrow in FIG. Through the exhaust gas outflow passage 51 adjacent thereto.
In the embodiment of the present invention, the peripheral wall surfaces of the exhaust gas inflow passages 50 and the exhaust gas outflow passages 51, that is, on both side surfaces of the partition walls 54, the outer end surfaces of the plugs 53 and the inner end surfaces of the plugs 52 and 53 are entirely covered. A support layer made of alumina, for example, is formed. A noble metal catalyst is supported on the support, and oxygen is taken in and retained when excess oxygen is present in the surroundings, and retained oxygen is reduced when the surrounding oxygen concentration is lowered. An active oxygen release agent that releases in the form of active oxygen is supported.
[0020]
In the embodiment of the present invention, platinum Pt is used as a noble metal catalyst, and as an active oxygen release agent, alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr. At least one selected from alkaline earth metals such as lanthanum La, yttrium Y, rare earth such as cerium Ce, transition metals such as iron Fe, and carbon group elements such as tin Sn is used.
[0021]
As the active oxygen release agent, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr.
Next, the action of removing particulates in the exhaust gas by the particulate filter 22 will be described by taking as an example the case where platinum Pt and potassium K are supported on the carrier, but other noble metals, alkali metals, alkaline earth metals, rare earths, transition metals. Even if a carbon group element is used, the same fine particle removing action is performed.
[0022]
In the compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1, combustion is performed under excess air, and therefore the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, when the ratio of the air and fuel supplied into the intake passage and the combustion chamber 5 is called the air-fuel ratio of the exhaust gas, the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes lean in the compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. Yes. Further, since NO is generated in the combustion chamber 5, NO is contained in the exhaust gas. Further, the fuel contains sulfur S, which reacts with oxygen in the combustion chamber 5 to react with SO.2It becomes. Therefore, in the exhaust gas, SO2It is included. Therefore excess oxygen, NO and SO2The exhaust gas containing the gas flows into the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22.
[0023]
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. FIG. 3A and 3B, 60 indicates platinum Pt particles, and 61 indicates an 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.2Is O2 −Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 −Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). Then the generated NO2Part of the oxygen is absorbed on the active oxygen release agent 61 while being oxidized on platinum Pt, and nitrate ions NO as shown in FIG.3 −Diffused into the active oxygen release agent 61 in the form of potassium nitrate KNO3Is generated.
[0024]
On the other hand, as described above, the exhaust gas contains SO.2Is also included, this SO2Is absorbed into the active oxygen release agent 61 by the same mechanism as NO. That is, as described above, oxygen O2Is O2 −Or O2-Is attached to the surface of platinum Pt in the form of SO2Is O on the surface of platinum Pt.2 −Or O2-Reacts with SO3It becomes. The generated SO is then3Is partly oxidized on platinum Pt while being absorbed in the active oxygen release agent 61 and combined with potassium K to sulfate ions SO.4 2-Diffused into the active oxygen release agent 61 in the form of potassium sulfate K2SO4Is generated. In this way, the active oxygen release agent 61 has potassium nitrate KNO.3And potassium sulfate K2SO4Is generated.
[0025]
On the other hand, fine particles mainly composed of carbon C are generated in the combustion chamber 5, and therefore these fine particles are contained in the exhaust gas. These fine particles contained in the exhaust gas are shown in FIG. 3 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 toward the exhaust gas outflow passage 51. As shown at 62 in (B), it contacts and adheres to the surface of the carrier layer, for example, the surface of the active oxygen release agent 61.
[0026]
When the fine particles 62 adhere to the surface of the active oxygen release agent 61 in this way, the oxygen concentration decreases at the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release agent 61. When the oxygen concentration is lowered, a difference in concentration occurs between the active oxygen release agent 61 having a high oxygen concentration, and thus oxygen in the active oxygen release agent 61 is directed toward the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release agent 61. Try to move. As a result, potassium nitrate KNO formed in the active oxygen release agent 613Is decomposed into potassium K, oxygen O, and NO, and oxygen O goes to the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release agent 61, while NO is released from the 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 active oxygen release agent 61.
[0027]
At this time, potassium sulfate K formed in the active oxygen release agent 612SO4Also potassium K, oxygen O and SO2The oxygen O is directed to the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release agent 61, while the SO2Is released from the active oxygen release agent 61 to the outside. SO released to the outside2Is oxidized on the platinum Pt on the downstream side and absorbed again into the active oxygen release agent 61. However, potassium sulfate K2SO4Is stable and difficult to decompose, so potassium sulfate K2SO4Is potassium nitrate KNO3It is harder to release active oxygen than.
The active oxygen release agent 61 is NO as described above.XNitrate NO3 −Even when absorbed in the form of, active oxygen is generated and released in the reaction process with oxygen. Similarly, the active oxygen release agent 61 is SO2 as described above.2Sulfate ion SO4 2-Even when absorbed in the form of, active oxygen is generated and released in the reaction process with oxygen.
[0028]
Incidentally, the oxygen O toward the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release agent 61 is potassium nitrate KNO.3And potassium sulfate K2SO4It is oxygen decomposed from a compound such as Oxygen O decomposed from the compound has high energy and has extremely high activity. Therefore, oxygen toward the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release agent 61 is active oxygen O. Similarly, NO in the active oxygen release agent 61XProcess of oxygen and oxygen, or SO2Oxygen generated in the reaction process of oxygen with oxygen is also active oxygen O. When these active oxygen O comes into contact with the fine particles 62, the fine particles 62 are oxidized within a short time (several seconds to several tens of minutes) without generating a luminous flame, and the fine particles 62 are completely extinguished. Therefore, the particulate 62 hardly deposits on the particulate filter 22. That is, the active oxygen release agent 61 is an oxidizing substance for oxidizing fine particles.
[0029]
When the particulates deposited in a layered manner on the particulate filter 22 are combusted as in the prior art, the particulate filter 22 becomes red hot and burns with a flame. Combustion with such a flame does not last unless the temperature is high, and therefore the temperature of the particulate filter 22 must be maintained at a high temperature in order to sustain the combustion with such a flame.
[0030]
On the other hand, in the present invention, the fine particles 62 are oxidized without generating a luminous flame as described above, and at this time, the surface of the particulate filter 22 does not become red hot. In other words, in the present invention, the fine particles 62 are removed by oxidation at a considerably lower temperature than in the prior art. Therefore, the particulate removal action by oxidation of the particulate 62 that does not emit a luminous flame according to the present invention is completely different from the particulate removal action by the conventional combustion with a flame.
[0031]
By the way, platinum Pt and the active oxygen release agent 61 are activated as the temperature of the particulate filter 22 is increased. The temperature increases as the temperature of the curate filter 22 increases.
[0032]
The solid line in FIG. 5 shows the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a bright flame per unit time. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the temperature TF of the particulate filter 22. The amount of fine particles discharged from the combustion chamber 5 per unit time is referred to as the 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. When all the fine particles discharged from the particulate filter 22 come into contact with the particulate filter 22, they are oxidized and removed on the particulate filter 22 without emitting a luminous flame within a short time (several seconds to several tens of minutes).
[0033]
On the other hand, when the amount M of discharged particulate is larger than the amount G of particulate 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 particulates. 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 active oxygen release agent 61, only a part of the fine particles 62 is oxidized. Part of the fine particles that are not sufficiently oxidized remains on the carrier layer. Next, when the state where the amount of active oxygen is deficient continues, the fine particles that have not been oxidized from one to the next remain on the carrier layer. As a result, as shown in FIG. The remaining fine particle portion 63 is covered.
[0034]
When the surface of the carrier layer is covered with the residual fine particle portion 63, NO, SO by platinum Pt2Since the active oxygen release action by the active oxygen release agent 61 is not performed, the residual fine particle portion 63 remains as it is without being oxidized. Therefore, as shown in FIG. Another particulate 64 is deposited on 63 from one to the next. That is, the fine particles are deposited in a laminated form. When the fine particles are deposited in this way, 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 where the amount M of discharged particulates is larger than the amount G of particulates that can be removed by oxidation continues, particulates accumulate on the particulate filter 22 in a layered manner, so that the exhaust gas temperature is raised or the particulate filter Unless the temperature of 22 is increased, the deposited fine particles cannot be ignited and burned.
[0035]
As described above, in the region I in FIG. 5, the fine particles are oxidized on the particulate filter 22 in a short time without generating a bright flame, and in the region II in FIG. 5, the fine particles are deposited on the particulate filter 22 in a laminated form. To do. Therefore, in order to prevent the fine particles from depositing on the particulate filter 22 in a stacked manner, the discharged fine particle amount M must always be smaller than the oxidizable and removable fine particle amount G.
[0036]
As can be seen from FIG. 5, the particulate filter 22 used in the embodiment of the present invention can oxidize the particulates even when the temperature TF of the particulate filter 22 is considerably low. Therefore, the compression shown in FIG. In the ignition type internal combustion engine, it is possible to maintain the exhaust particulate amount M and the temperature TF of the particulate filter 22 so that the exhaust particulate amount M is always lower than the oxidizable and removable particulate amount G. Therefore, in the first embodiment according to the present invention, the discharged particulate amount M and the temperature TF of the particulate filter 22 are always maintained such that the discharged particulate amount M is smaller than the oxidizable and removable particulate amount G.
[0037]
If the amount M of discharged particulate is always smaller than the amount G of particulate that can be removed by oxidation, the particulates hardly accumulate on the particulate filter 22, and therefore the back pressure hardly increases. Therefore, the engine output hardly decreases.
On the other hand, as described above, once the fine particles are deposited in a laminated form on the particulate filter 22, even if the discharged fine particle amount M is smaller than the oxidizable and removable fine particle amount G, the fine particles are oxidized by the active oxygen O. Have difficulty. However, when the particulate portion that has not been oxidized begins to remain, that is, when the particulate matter is deposited below a certain limit, if the exhaust particulate amount M becomes smaller than the particulate amount G that can be removed by oxidation, the residual particulate portion becomes active oxygen. O is removed by oxidation without emitting a luminous flame. Therefore, in the second embodiment, even if the discharged particulate amount M is usually smaller than the oxidizable and removable particulate amount G and the discharged particulate amount M temporarily exceeds the oxidizable and removable particulate amount G, FIG. As shown in FIG. 2, the amount of fine particles below a certain limit that can be removed by oxidation when the surface of the carrier layer is not covered with the residual fine particle portion 63, that is, when the discharged fine particle amount M is smaller than the fine particle amount G that can be removed by oxidation However, the amount M of discharged particulate and the temperature TF of the particulate filter 22 are maintained so as not to be stacked on the particulate filter 22.
[0038]
In particular, immediately after the engine is started, the temperature TF of the particulate filter 22 is low. Therefore, at this time, the amount M of discharged particulate is larger than the amount G of particulate that can be removed by oxidation. Therefore, when actual driving is considered, it is considered that the second embodiment is more suitable for reality.
On the other hand, even if the discharged particulate amount M 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 accumulate on the particulate filter 22 in a layered manner. There is a case. In such a case, the particulates deposited on the particulate filter 22 can be oxidized without emitting a luminous flame by temporarily enriching the air-fuel ratio of a part or the whole of the exhaust gas.
[0039]
That is, if the state in which the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean continues for a certain period, a large amount of oxygen is deposited on the platinum Pt, and the catalytic action of the platinum Pt is reduced. However, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas, oxygen is removed from the platinum Pt, and thus the catalytic action of the platinum Pt is restored. Accordingly, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, the active oxygen O is easily released from the active oxygen release agent 61 to the outside at once. Thus, the fine particles deposited by the active oxygen O released at once are transformed into a state where they are easily oxidized, and the fine particles are burned and removed by the active oxygen at once without generating a luminous flame. Thus, if the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, the amount G of fine particles that can be removed by oxidation increases as a whole. In this case, the air-fuel ratio of the exhaust gas may be made rich when the particulates are deposited in a laminated form on the particulate filter 22, or the exhaust gas is periodically exhausted regardless of whether the particulates are deposited in a laminated form. The air / fuel ratio of the gas may be made rich.
[0040]
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 opened so that the EGR rate (EGR gas amount / (intake air amount + EGR gas amount)) is 65% or more. It is possible to use a method of controlling the injection amount so that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 becomes rich at this time by controlling the degree and the opening of the EGR control valve 25.
[0041]
An example of the operation control routine of the internal combustion engine described above is shown in FIG.
Referring to FIG. 6, first, at step 100, it is judged if 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 degree of the throttle valve 17 is controlled in step 101 so that the amount M of discharged particulates is smaller than the amount G of particulates that can be removed by oxidation. The opening degree of the control valve 25 is controlled, and in step 103, the fuel injection amount is controlled.
[0042]
On the other hand, when it is determined in step 100 that the average air-fuel ratio in the combustion chamber 5 should be rich, the opening degree of the throttle valve 17 is controlled in step 104 so that the EGR rate becomes 65% or more. In step 106, the opening 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.
[0043]
By the way, fuel and lubricating oil contain calcium Ca, and therefore, calcium Ca is contained in the exhaust gas. This calcium Ca is SO3In the presence of calcium sulfate CaSO4Is generated. This calcium sulfate CaSO4Is solid and does not thermally decompose even at high temperatures. Therefore calcium sulfate CaSO4Is produced, this calcium sulfate CaSO4As a result, the pores of the particulate filter 22 are blocked, and as a result, the exhaust gas hardly flows through the particulate filter 22.
[0044]
In this case, when an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca is used as the active oxygen release agent 61, for example, potassium K, SO diffuses into the active oxygen release agent 61.3Binds potassium K and potassium sulfate K2SO4Calcium Ca is SO3Without passing through the partition wall 54 of the particulate filter 22 and flows into the exhaust gas outflow passage 51. Therefore, the pores of the particulate filter 22 are not clogged. Therefore, as described above, as the active oxygen release agent 61, alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, strontium Sr is used. Would be preferable.
[0045]
The present invention can also be applied to the case where only a noble metal such as platinum Pt is supported on the carrier layer formed on both side surfaces of the particulate filter 22. However, in this case, the solid line indicating the amount of fine particles G that can be removed by oxidation moves slightly to the right as compared with the solid line shown in FIG. In this case, NO held on the surface of platinum Pt.2Or SO3Active oxygen is released from
[0046]
NO as an active oxygen release agent2Or SO3And adsorbed NO.2Or SO3A catalyst capable of releasing active oxygen from the catalyst can also be used.
Next, the bypass mechanism of the present embodiment will be described with reference to FIGS. The exhaust pipe 20 a is connected to the exhaust flow switching pipe 80. The exhaust flow switching pipe 80 has three openings, which are connected to the first exhaust branch pipe 81a, the second exhaust branch pipe 81b, and the exhaust pipe 82, respectively. That is, in the exhaust flow switching pipe 80, a pair of first exhaust branch pipe 81a and second exhaust branch pipe 81b branch from the exhaust pipe 20a. The first exhaust branch pipe 81 a is connected to one end of the particulate filter 22, and the second exhaust branch pipe 81 b is connected to the other end of the particulate filter 22. That is, the first exhaust branch pipe 81a and the second exhaust branch pipe 81b are connected to each other to form a loop-shaped exhaust passage, and the particulate filter 22 is disposed in the loop-shaped exhaust passage. Hereinafter, for convenience of explanation, the end of the particulate filter 22 to which the first exhaust branch pipe 81a is connected is referred to as a first end, and the particulate filter 22 to which the second exhaust branch pipe 81b is connected. Is called the second end.
[0047]
A switching valve 80 a is disposed in the exhaust flow switching pipe 80. The switching valve 80a changes its rotational position so that the exhaust gas flows into the first end of the particulate filter 22 through the first exhaust branch pipe 81a or through the second exhaust branch pipe 81b. Thus, it is possible to switch between flowing into the second end of the particulate filter 22 or directly flowing into the exhaust pipe 82 without flowing into the particulate filter 22 at all. That is, when the switching valve 80a is positioned at the first rotational position shown in FIG. 7, the exhaust gas upstream of the exhaust flow switching pipe 80 is passed through the first exhaust branch pipe 81a as shown by the arrow in FIG. Then, the particulate filter 22 is caused to flow into the particulate filter 22 from the first end of the particulate filter 22. The exhaust gas flowing in from the first end of the particulate filter 22 flows out from the second end, and flows out to the exhaust pipe 82 downstream of the exhaust flow switching pipe 80 via the second exhaust branch pipe 81b. When the switching valve 80a is positioned at the second rotational position shown in FIG. 9, the exhaust gas upstream of the exhaust flow switching pipe 80 passes through the second exhaust branch pipe 81b as shown by the arrow in FIG. Then, the particulate filter 22 is caused to flow into the particulate filter 22 from the second end of the particulate filter 22. The exhaust gas flowing in from the second end of the particulate filter 22 flows out from the first end, and flows out to the exhaust pipe 82 downstream of the exhaust flow switching pipe 80 via the first exhaust branch pipe 81a. .
[0048]
In this embodiment, the rotation position of the switching valve 80a is switched between the first rotation position and the second rotation position at every predetermined time, which will be described in detail later, and flows into the particulate filter 22. Change the direction of the exhaust gas. According to this, since the fine particles flow in the particulate filter 22 or in the partition wall 54, the fine particles can be satisfactorily oxidized and removed.
[0049]
Further, when the switching valve 80a is positioned at a neutral position that is located exactly between the first rotation position and the second rotation position shown in FIG. 10, the exhaust gas upstream of the exhaust flow switching pipe 80 is removed as shown in FIG. As shown by the arrow of, the gas flows directly into the exhaust pipe 80 downstream of the exhaust flow switching pipe 80 without flowing into the particulate filter 22. In this neutral position, the exhaust gas pressure on the first end side of the particulate filter 22 and the exhaust gas pressure on the second end side are substantially equal, so that the exhaust gas hardly flows into the particulate filter 22. Thus, the particulate filter 22 can be bypassed by the exhaust gas, and the amount of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22 can be made substantially zero.
[0050]
By the way, even if the particulate filter 22 is oxidized and removed using the exhaust gas purification method described above, the particulate may still be deposited on the surface of the particulate filter 22. If the fine particles deposited on the surface of the particulate filter 22 (hereinafter, deposited fine particles) are left as they are, the surface of the particulate filter 22 is eventually covered, and the exhaust gas can pass through the particulate filter 22. There is a possibility of disappearing. Therefore, in the present invention, when fine particles are deposited on the surface of the particulate filter 22 in a predetermined amount or more, the deposited fine particles are forcibly oxidized or gradually burned and removed from the particulate filter 22. In order to oxidize or gradually burn the deposited fine particles, the temperature of the particulate filter 22 may be raised to a certain temperature (for example, a fine particle oxidizable temperature capable of oxidizing fine particles). Here, in order to raise the temperature of the particulate filter 22, for example, oxygen and hydrocarbons may be supplied to the particulate filter 22, and these oxygen and hydrocarbons may be combusted in the particulate filter 22. Further, when the internal combustion engine is performing low-temperature combustion, which will be described in detail later, since relatively high-temperature exhaust gas is discharged from the internal combustion engine, the temperature of the particulate filter can also be increased by causing the internal combustion engine to perform low-temperature combustion. Can be raised.
[0051]
By the way, in this embodiment, when the amount of accumulated particulates is relatively large, a temperature increasing process is performed to raise the temperature of the particulate filter 22 to, for example, a particulate oxidizing temperature, and the deposited particulates are forcibly oxidized or gradually burned. However, it is also conceivable that the deposited fine particles burn at once during the temperature raising process. Further, even if the temperature of the particulate filter 22 is not during the temperature raising process, it is conceivable that the deposited particulates burn at a time when the temperature of the particulate filter 22 becomes higher than the particulate ignition temperature at which the particulates emit a flame and ignite and burn at once. In such a case, even if the temperature of the particulate filter 22 is rapidly increased and the particulate filter 22 is melted, a part of the particulate filter 22 is melted, or the particulate filter 22 is not damaged. There is a possibility that thermal degradation of the active oxygen release agent supported on the 22 occurs. In order to avoid such melting damage and thermal deterioration (hereinafter referred to as heat deterioration including melting damage), the deposited fine particles should not be burned, but if the deposited fine particles are not burned, the amount of accumulated fine particles gradually increases. As a result, the particulate oxidation ability of the particulate filter 22 decreases, and eventually the particulate filter 22 cannot oxidize and remove the particulates. If the pores of the partition wall 54 of the particulate filter 22 are clogged, the exhaust gas cannot pass through the particulate filter 22.
[0052]
Therefore, in this embodiment, it is determined whether or not the particulate filter 22 is thermally deteriorated. If there is a possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated, the rotation position of the switching valve 80a is set to the neutral position and the exhaust gas is discharged. If the particulate filter 22 is bypassed so that oxygen is not supplied to the particulate filter 22 and thus the deposited particulates are not combusted, while the particulate filter 22 is not likely to be thermally deteriorated, exhaust gas Into the particulate filter 22, oxygen is supplied to the particulate filter 22, and the deposited particulates are burned.
[0053]
Next, how to determine whether the particulate filter is thermally deteriorated in the present embodiment will be described. Usually, the larger the amount of accumulated particulates, the greater the amount of heat generated when the deposited particulates burn at a stroke, so the possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated is higher. That is, it is possible to determine whether or not the particulate filter 22 is thermally deteriorated based on the amount of deposited fine particles. Conventionally, it has been thought that the amount of deposited particulates can be estimated from the difference (pressure loss) between the exhaust gas pressure on the upstream side and the exhaust gas pressure on the downstream side of the particulate filter 22. However, it has been found that the amount of deposited fine particles may be large. This is because the particulates PM are deposited on the partition walls 54 as shown in FIG. 11, and the deposited particulates may not block the inlets of the pores of the partition walls 54. There are two possible causes for the thermal deterioration of the particulate filter 22, namely, a large amount of heat generated mainly by the combustion of the deposited fine particles and a small amount of heat radiated from the particulate filter 22. The amount of heat generated by the combustion of the deposited particulates increases as the amount of oxygen flowing into the particulate filter 22 increases. The amount of heat radiated from the particulate filter 22 decreases as the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter 22 decreases.
[0054]
Therefore, in the present invention, when the amount of oxygen flowing into the particulate filter 22 is relatively large under the condition that the temperature of the particulate filter 22 is equal to or higher than the particulate ignition temperature, or the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter 22 is compared. It is determined that there is a possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated when the target is low. On the other hand, even when the temperature of the particulate filter 22 is equal to or higher than the particulate ignition temperature, the amount of oxygen flowing into the particulate filter 22 is relatively small, or the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter 22 is relatively large. Sometimes, it is determined that there is no possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated. In this way, if the possibility of thermal deterioration of the particulate filter is taken into consideration, the particulates can be removed from the particulate filter without causing the particulate filter 22 to thermally deteriorate.
[0055]
Next, the switching valve control including the above-described thermal deterioration prevention process and deposited particulate oxidation process of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. The rotation position of the switching valve 80a is switched from the first rotation position to the second rotation position or from the second rotation position to the first rotation position in accordance with the flowchart of FIG. That is, first, at step 200, it is determined whether or not it is time to switch the rotational position of the switching valve 80a. This timing is, for example, every certain time interval, every time the amount of fine particles flowing into the particulate filter 22 reaches a certain amount, or at the time of engine deceleration. When it is determined in step 200 that it is time to switch the rotational position of the switching valve 80a, the routine proceeds to step 201, where switching of the switching valve 80a is executed. On the other hand, when it is determined in step 200 that it is not time to switch the rotation position of the switching valve 80a, the process proceeds to step 202 without switching the switching valve 80a.
[0056]
In step 202, it is determined whether or not the amount of particulates (hereinafter referred to as inflowing particulate amount) Apm flowing into the particulate filter 22 exceeds a predetermined amount ApmTH (Apm> ApmTH). Here, the inflowing particulate amount is the integrated value of the discharged particulate amount, the pressure loss due to the particulate filter 22, the difference between the amount of particulates that can be oxidized and removed, or the particulate filter 22 downstream side to detect the particulate concentration. It is calculated from the output value of the fine particle concentration sensor provided in. When it is determined in step 202 that Apm> ApmTH, the routine proceeds to step 203, where the temperature of the particulate filter 22 is raised to the particulate oxidizable temperature, and the temperature raising process for oxidizing the deposited particulates is executed. On the other hand, when it is determined in step 202 that Apm ≦ ApmTH, the process proceeds to step 204 without executing the temperature raising process. In step 204, thermal deterioration prevention processing is executed according to the flowchart of FIG.
[0057]
Next, the thermal deterioration prevention process will be described with reference to FIG. First, at step 300, it is determined whether or not the temperature TF of the particulate filter 22 is higher than a predetermined temperature (for example, the particulate ignition temperature) TFTH (TF> TFTF). When it is determined in step 300 that TF ≦ TFTF, it is determined that there is no possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated, and the routine is ended as it is. On the other hand, when it is determined in step 300 that TF> TFT, the routine proceeds to step 301, where it is determined whether or not the current engine operation area A is in the danger area D (A = D) based on the map of FIG. The In the map of FIG. 14, D indicates a dangerous area where the particulate filter 22 may be thermally degraded, and S indicates a safe area where the particulate filter 22 is not likely to be thermally degraded.
[0058]
FIG. 14A is a map used when the internal combustion engine is operated with the air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. According to the map of FIG. 14A, the smaller the intake amount Ga is, the smaller the amount of exhaust gas that passes through the particulate filter 22 is. Therefore, heat is not radiated from the particulate filter 22, so the engine operating region A is in the dangerous region D. Is likely to be determined. Further, the higher the oxygen concentration Co in the exhaust gas, the greater the amount of oxygen flowing into the particulate filter 22, so the possibility that the engine operation area A is in the danger area D increases. Further, the line Lds that divides the dangerous area D and the safe area S moves toward the safe area S as the hydrocarbon (HC) concentration Chc in the exhaust gas increases. That is, the higher the HC concentration Chc in the exhaust gas, the higher the possibility of thermal degradation.
[0059]
On the other hand, FIG. 14B is a map used when the internal combustion engine is operated in a lean state where the air-fuel ratio is very close to the stoichiometric air-fuel ratio, in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio, or in a rich state. . In the map of FIG. 14B as well, the smaller the intake air amount Ga, the higher the possibility that it is determined that the engine operation area A is in the danger area D. The higher the oxygen concentration Co in the exhaust gas, the more the engine operation area A becomes. The possibility of being determined to be in the dangerous area D increases. However, the line Lds that divides the danger area D and the safety area S moves to the danger area D side as the HC concentration Chc in the exhaust gas increases. That is, the lower the HC concentration Chc in the exhaust gas, the higher the possibility of thermal degradation.
[0060]
Thus, the change in the possibility of thermal degradation with respect to the change in the HC concentration in the exhaust gas differs depending on the air-fuel ratio. When the internal combustion engine is operated with the air-fuel ratio being lean, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. Therefore, even if the HC concentration in the exhaust gas becomes high and the oxygen in the exhaust gas is consumed by the reaction with HC, the particulate filter 22 still has an amount of oxygen sufficient to burn the accumulated particulates at a stretch, Moreover, if the HC concentration in the exhaust gas increases, the amount of HC that reacts with oxygen also increases, and therefore the temperature of the particulate filter 22 is greatly increased by the reaction between these HC and oxygen, and thus there is a possibility of thermal degradation. On the other hand, the internal combustion engine is operated in a lean state where the air-fuel ratio is very close to the stoichiometric air-fuel ratio, in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio, or in a rich state. When the amount of oxygen in the exhaust gas is low, the HC concentration in the exhaust gas becomes high, and when the HC in the exhaust gas reacts with oxygen, the amount of oxygen remaining in the exhaust gas burns the deposited particulates all at once. Therefore, the amount of heat deterioration is low, contrary to the case where the internal combustion engine is operated with the air-fuel ratio being lean.
[0061]
When it is determined in step 301 that A = D, it is determined that the particulate filter 22 may be thermally deteriorated, and the process proceeds to step 302 to perform switching valve control in which the rotation position of the switching valve 80a is set to the neutral position. Execute, and go to step 303. In step 303, it is determined whether or not the engine operation area A is in the safety area S (A = S). If it is determined in step 303 that A = S, the process proceeds to step 304. On the other hand, when it is determined in step 303 that A ≠ S, that is, when it is still determined that A = D, step 303 is repeated until it is determined in step 303 that A = S. Therefore, after the rotation position of the switching valve 80a is positioned at the neutral position at step 302, the rotation position of the switching valve 80a is fixed at the neutral position until it is determined at step 303 that A = S.
[0062]
When it is determined in step 301 that A ≠ D, that is, when it is determined that A = S, it is determined that there is no possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated, and the process proceeds to step 304.
By the way, if it is determined in step 303 that A = S, and it is determined that there is no possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated, the routine may be terminated and the routine may return to the switching valve control shown in FIG. It is considered that there is no possibility that the curated filter 22 is thermally deteriorated. However, in this flowchart, steps 304 and subsequent steps are added in order to reliably prevent the particulate filter 22 from being thermally deteriorated. That is, even if the engine operation region A is in the safety region S in step 303, the temperature TF of the particulate filter 22 is still higher than the predetermined temperature TFTH. Alternatively, even if the temperature TF of the particulate filter 22 is lower than the predetermined temperature TFTH, there is a possibility that it is locally high. In this situation, when the routine of FIG. 13 is terminated and the switching valve 80a is switched between the first rotation position and the second rotation position, the switching valve 80a is switched, whereby the inflow direction of the exhaust gas. Since the reversal is continuously performed, heat locally collects in the center of the particulate filter 22 and the deposited particulates may start to burn at a stretch. Therefore, in the present invention, there is no possibility that the deposited fine particles start to burn at a stretch (safety level) according to the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22, the amount of exhaust gas, the amount of oxygen, and the amount of HC. Only when the degree of safety becomes high, the routine of FIG. 13 is terminated and the routine returns to the routine of FIG.
[0063]
Therefore, if it is determined in step 303 that A = S and it is determined that there is no possibility that the particulate filter 22 is thermally deteriorated, the routine proceeds to step 304, where the switching valve 80a is moved to the first rotational position or the second rotation. Position to either one of the moving positions and proceed to step 305. In step 305, it is determined whether or not the safety counter CS calculated in accordance with the flowchart of FIG. 15 is larger than a predetermined value CSTH (CS> CSTH). In the flowchart of FIG. 15, first, at step 400, it is determined whether or not the temperature Tex of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22 is lower than a predetermined temperature TexTH (Tex <TexTH). When it is determined in step 400 that Tex <TexTH, the process proceeds to step 401 where the safety counter CS is incremented and the process proceeds to step 402. On the other hand, if it is determined in step 400 that Tex ≧ TexTH, the process proceeds directly to step 402.
[0064]
In step 402, it is determined whether or not the amount Gex of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22 is larger than a predetermined amount GexTH (Gex> GexTH). When it is determined in step 402 that Gex> GexTH, the routine proceeds to step 403, where the safety counter CS is counted up, and the routine proceeds to step 404. On the other hand, if it is determined in step 402 that Gex ≦ GexTH, the process directly proceeds to step 404.
[0065]
In step 404, it is determined whether or not the oxygen amount Co in the exhaust gas flowing into the particulate filter 22 is smaller than a predetermined amount CoTH (Co <CoTH). When it is determined in step 404 that Co <CoTH, the routine proceeds to step 405, where the safety counter CS is counted up, and the routine proceeds to step 406. On the other hand, when it is determined in step 404 that Co ≧ CoTH, the process directly proceeds to step 406.
[0066]
In step 406, it is determined whether or not the HC concentration Chc in the exhaust gas flowing into the particulate filter 22 is less than a predetermined concentration ChcTH (Chc <ChcTH). When it is determined in step 406 that Chc <ChcTH, the routine proceeds to step 407, where the safety counter CS is incremented, and the routine is terminated. On the other hand, if it is determined in step 406 that Chc ≧ ChcTH, the routine is directly terminated.
[0067]
When it is determined in step 305 in FIG. 13 that CS> CSTH based on the safety counter CS thus calculated, it is determined that there is almost no possibility that the deposited particulates start to burn at once, and in step 306, the safety counter CS Is reset and the routine is terminated. On the other hand, when it is determined in step 305 that CS ≦ CSTH, it is determined that there is a possibility that the deposited fine particles may start to burn at once, and the process returns to step 301. Thus, returning to step 301 is that there is a possibility that the engine operation area A becomes the danger area D in the current situation where the accumulated particulates may start to burn at a stroke. This is because even if it becomes, the thermal deterioration of the particulate filter 22 can be surely prevented.
[0068]
In the thermal deterioration prevention process described above, after the rotation position of the switching valve 80a is fixed at the first rotation position or the second rotation position in step 304, the safety level is greater than a certain threshold value in the current engine operation state. The rotation position of the switching valve 80a is kept fixed until it becomes, but an injection device for injecting water or nitrogen is arranged in the particulate filter 22, and water or nitrogen is injected from the injection device into the particulate filter 22. Then, the temperature of the particulate filter 22 may be forcibly lowered, and thus the safety degree may be made larger than a certain threshold value. Also, when the temperature TF of the particulate filter 22 becomes lower than the predetermined temperature TFTH using only the temperature of the particulate filter 22 instead of the safety degree, or lower than the predetermined temperature TFTH. Alternatively, the routine may be returned to the flowchart shown in FIG.
[0069]
Next, low temperature combustion will be described. It is known that when the EGR rate is increased, the generation amount of fine particles gradually increases and reaches a peak, and when the EGR rate is further increased, the generation amount of fine particles rapidly decreases. This will be described with reference to FIG. 16 showing the relationship between the EGR rate and smoke when the degree of cooling of the EGR gas is changed. In FIG. 16, a curve A shows a case where the EGR gas is strongly cooled and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., a curve B shows a case where the EGR gas is cooled by a small cooling device, and a curve C shows the EGR gas. Indicates the case where the cooling is not forced.
[0070]
As shown by the curve A in FIG. 16, when the EGR gas is strongly cooled, the generation amount of fine particles peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. Then, almost no fine particles are generated. On the other hand, as shown by curve B in FIG. 16, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of generated fine particles peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is about 65% or more. In this case, almost no fine particles are generated. Further, as shown by the curve C in FIG. 16, when the EGR gas is not forcibly cooled, the generation amount of fine particles peaks when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is about 70%. In this way, almost no fine particles are generated. Thus, when the EGR rate is 55% or more, fine particles are not generated because the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion is not so high due to the endothermic action of the EGR gas, so-called low-temperature combustion is performed. This is because hydrocarbons do not grow to soot.
[0071]
This low-temperature combustion suppresses the generation of fine particles regardless of the air-fuel ratio, while NO.XIt has the characteristic that the generation amount of can be reduced. In other words, if the air-fuel ratio is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so the excess fuel does not grow to soot, and thus fine particles are generated. There is no. Also at this time NOXHowever, only a very small amount is generated. On the other hand, even when the average air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, or when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is produced if the combustion temperature is high, but the combustion temperature is low under low-temperature combustion. NO is generated at all because it is suppressed, NOXHowever, only a very small amount occurs.
[0072]
On the other hand, when this low temperature combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lowered, but the temperature of the exhaust gas is raised. This will be described with reference to FIG. The solid line in FIG. 17 (A) shows the relationship between the average gas temperature Tg in the combustion chamber 5 and the crank angle when low-temperature combustion is performed, and the broken line in FIG. 17 (A) is when normal combustion is performed. The relationship between the average gas temperature Tg in the combustion chamber 5 and the crank angle is shown. Also, the solid line in FIG. 17B shows the relationship between the fuel and the surrounding gas temperature Tf and the crank angle when low temperature combustion is performed, and the broken line in FIG. 17B is when normal combustion is performed. The relationship between the fuel and the surrounding gas temperature Tf and the crank angle is shown.
[0073]
When low-temperature combustion is performed, the amount of EGR gas is larger than when normal combustion is performed. Therefore, as shown in FIG. 17A, before compression top dead center, that is, during the compression stroke, a solid line is shown. The average gas temperature Tg at the time of low temperature combustion shown is higher than the average gas temperature Tg at the time of normal combustion indicated by a broken line. At this time, as shown in FIG. 17B, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are substantially equal to the average gas temperature Tg.
[0074]
Next, the combustion starts near the compression top dead center. In this case, when the low temperature combustion is performed, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are not so high as shown by the solid line in FIG. On the other hand, when normal combustion is performed, since a large amount of oxygen exists around the fuel, the temperature of the fuel and the surrounding gas temperature Tf become extremely high as shown by the broken line in FIG. . In this way, when normal combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas temperature Tf is considerably higher than when low-temperature combustion is performed, but the temperatures of the other gases that occupy most of the temperature are low-temperature combustion Therefore, the average gas temperature in the combustion chamber 5 in the vicinity of the compression top dead center as shown in FIG. 17A is lower than that in the case where the normal combustion is performed. Tg is higher when low-temperature combustion is performed than when normal combustion is performed. As a result, as shown in FIG. 17A, the average gas temperature in the combustion chamber 5 after the completion of the combustion is higher when the low temperature combustion is performed than when the normal combustion is performed. Thus, when the low temperature combustion is performed, the temperature of the exhaust gas becomes high.
[0075]
Next, another thermal deterioration preventing process of the present invention will be described. In this embodiment, when it is determined that the engine operating region is in the dangerous region, the exhaust gas is not immediately bypassed by the particulate filter, but is allowed when various circumstances (such as fuel efficiency and engine demand load) are considered. It is determined whether or not the engine operating area can be shifted to the safe area by changing the engine operating state within the range, and when the engine operating area can be transferred to the safe area, the engine operating area is Change the engine operating state to shift to. For this purpose, the parameters that determine whether the engine operating region is in the safe region or the dangerous region are the temperature of the particulate filter 22, the oxygen concentration in the exhaust gas, the intake air amount, and the HC concentration in the exhaust gas. In order to shift the engine operation region to the safe region, the temperature of the particulate filter 22 is decreased, the oxygen concentration in the exhaust gas is decreased, the intake air amount is increased, or the internal combustion engine is relatively large. When operating at an air-fuel ratio, the HC concentration in the exhaust gas may be reduced, and when the internal combustion engine is operated at a relatively small air-fuel ratio, the HC concentration in the exhaust gas may be increased. Here, in order to lower the temperature of the particulate filter 22, for example, the fuel injection pressure from the fuel injection valve may be increased and the fuel injection timing may be advanced. In order to increase the intake air amount, for example, the EGR rate is reduced, or the EGR rate is set to zero in some cases, or when the internal combustion engine is equipped with an automatic transmission, the gear ratio is set to be higher than the current gear ratio. Can be increased to increase the engine speed. Here, when the EGR rate is set to zero, the combustion speed of the fuel in the combustion chamber 5 becomes very fast, and therefore the combustion noise may become larger than the allowable limit, so before the fuel is injected into the combustion chamber 5. It is preferable to perform so-called pilot injection in which a small amount of fuel is injected in advance, or to reduce the fuel injection pressure to suppress an increase in combustion noise. In order to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas, the air-fuel ratio may be reduced or the EGR rate may be increased. In order to reduce the air-fuel ratio, the internal combustion engine is performing the low-temperature combustion described above, or the expansion stroke injection for injecting fuel in the expansion stroke of the internal combustion engine is performed separately from the fuel injection for driving the engine. Therefore, it is preferable that the internal combustion engine is operated at a relatively small air-fuel ratio at present.
[0076]
Thus, by changing the engine operating state, it is possible to avoid the exhaust gas containing fine particles having to be directly discharged to the atmosphere without passing through the particulate filter 22. Of course, when the engine operating state cannot be changed to the safe region no matter how the engine operating state is changed, the particulate filter 22 is bypassed to the exhaust gas, and the same control as the first thermal deterioration preventing process is executed. .
[0077]
FIG. 18 shows a flowchart for executing the second thermal deterioration prevention process. In the flowchart of FIG. 18, steps 400 to 406 other than steps 401a and 401b correspond to steps 300 to 306 of FIG. According to the flowchart of FIG. 18, when it is determined in step 401 that the engine operating area A is in the dangerous area D (A = D), the routine proceeds to step 401a to change the engine operating area A by changing the engine operating area A. It is determined whether or not the safety area S can be transferred. When it is determined in step 401a that the engine operation area A can be shifted to the safety area S, the routine proceeds to step 401b, where the engine operation state is changed so that the engine operation area A becomes the safety area S. On the other hand, when it is determined in step 401a that the engine operation area A cannot be shifted to the safety area S, the routine proceeds to step 402. The remaining steps are the same as those in FIG.
[0078]
When the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter 22 is to be reduced, the particulate filter 22 uses the bypass mechanism shown in FIGS. A slight amount of exhaust gas may flow into the filter 22. In this case, the rotational position of the switching valve 80 is positioned slightly closer to either the first rotational position or the second rotational position than the intermediate position. In this way, a small differential pressure is generated between the exhaust gas pressure on the first end side of the particulate filter 22 and the exhaust gas pressure on the second end side, so that the particulate filter has a slight exhaust gas. 22 will flow in.
[0079]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to prevent the particulate filter from being thermally deteriorated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing a particulate filter.
FIG. 3 is a diagram for explaining an oxidizing action of fine particles.
FIG. 4 is a view for explaining the deposition action of fine particles.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of the particulate filter.
FIG. 6 is a flowchart for controlling the operation of the engine.
FIG. 7 is a plan view showing a bypass mechanism in which a switching valve is in a first rotation position.
8 is a side view of the bypass mechanism shown in FIG.
FIG. 9 is a plan view of the bypass mechanism in which the switching valve is in the second rotation position.
FIG. 10 is a plan view of a bypass mechanism in which the switching valve is in a neutral position.
FIG. 11 is a diagram showing deposited fine particles.
FIG. 12 is a flowchart for controlling the rotation position of the switching valve.
FIG. 13 is a flowchart for executing a thermal deterioration prevention process.
FIG. 14 is a map for obtaining a dangerous area and a safe area based on an oxygen concentration, an intake air amount, and an HC concentration.
FIG. 15 is a flowchart for counting a safety counter.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the EGR rate and the amount of generated fine particles.
17A is a diagram showing the relationship between the crank angle and the average gas temperature in the combustion chamber, and FIG. 17B is a diagram showing the relationship between the crank angle and the gas temperature around the combustion.
FIG. 18 is a flowchart for executing another thermal deterioration prevention process.
[Explanation of symbols]
5 ... Combustion chamber
6 ... Fuel injection valve
22 ... Particulate filter
25 ... EGR control valve
80a ... Switching valve

Claims (15)

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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法において、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには上記第二領域となるように機関運転状態を変更し、機関運転領域が上記第一領域にあるときに上記第二領域となるように機関運転状態を変更することができないときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法。In the exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region, and the oxygen concentration in the exhaust gas is set in advance. The engine operating state is changed to a first region higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and when the engine operating region is in the first region, the second region is changed to the second region. When the engine operating state cannot be changed so that the engine operating region is in the first region, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is set to be larger than a predetermined amount. An exhaust gas purification method that reduces the amount of exhaust gas. 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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が燃焼室に流入する空気量に応じて設定され、該空気量が多いほど高く設定される排気ガス浄化方法。An exhaust gas purification method in which particulates in exhaust gas are oxidized and removed on a particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the oxygen concentration in the exhaust gas Is divided into a first region higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and when the engine operating region is in the first region, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is determined. In the exhaust gas purifying method in which the amount is less than a predetermined amount, the predetermined concentration is set according to the amount of air flowing into the combustion chamber, and the exhaust gas is set higher as the amount of air increases. Purification method. 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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が排気ガス中の炭化水素の濃度に応じて設定され、排気ガスの空燃比がリーンであるときには該炭化水素濃度が高いほど低く設定され、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍、或いはリッチであるときには該炭化水素濃度が高いほど高く設定される排気ガス浄化方法。An exhaust gas purification method in which particulates in exhaust gas are oxidized and removed on a particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the oxygen concentration in the exhaust gas Is divided into a first region higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and when the engine operating region is in the first region, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is determined. In the exhaust gas purification method in which the amount is less than a predetermined amount, the predetermined concentration is set according to the concentration of hydrocarbons in the exhaust gas, and when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, The higher the hydrocarbon concentration, the lower it is set. When the air-fuel ratio of the exhaust gas is near the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the higher the hydrocarbon concentration, Exhaust gas purification method to be Ku set. 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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには、排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせることによってパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零にすることでパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法において、機関排気通路から第一の排気枝管と第二の排気枝管とを分岐させ、これら第一の排気枝管と第二の排気枝管とをこれらが分岐された分岐点の下流側において互いに接続してループ状の排気通路を形成し、該ループ状の排気通路内に上記パティキュレートフィルタが配置され、排気ガスを第一の排気枝管と第二の排気枝管のいずれを介してパティキュレートフィルタに流入させるかを切り換えるために回動可能な切換弁を上記分岐点に配置し、該切換弁は第一の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第一の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第二の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第二の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第二の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第一の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第一の回動位置と第二の回動位置との間の中立位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを分岐点下流の機関排気通路に直接流入させ、切換弁を中立位置とすることにより排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせるようにした排気ガス浄化方法。An exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the oxygen concentration in the exhaust gas Is divided into a first region in which the concentration is higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and when the engine operation region is in the first region, the exhaust gas is allowed to bypass the particulate filter. In the exhaust gas purification method, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made substantially zero, thereby reducing the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter from a predetermined amount. The first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are branched from each other, and the first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are connected to each other. They are connected to each other on the downstream side of the branch point where they are branched to form a loop-shaped exhaust passage, and the particulate filter is disposed in the loop-shaped exhaust passage, and the exhaust gas is sent to the first exhaust branch pipe And a switching valve that can be rotated to switch between the flow through the exhaust pipe and the second exhaust branch pipe is disposed at the branch point, and the switching valve is set to the first rotation position. Sometimes the exhaust gas upstream of the branch point flows into the particulate filter via the first exhaust branch pipe, and flows out from the particulate filter to the engine exhaust passage downstream of the branch point via the second exhaust branch pipe. When the second rotation position is set, the exhaust gas upstream of the branch point is caused to flow into the particulate filter via the second exhaust branch pipe, and from the particulate filter via the first exhaust branch pipe. When exhausted to the engine exhaust passage downstream of the bifurcation point and set to a neutral position between the first rotational position and the second rotational position, the exhaust gas upstream of the branch point is directly passed to the engine exhaust passage downstream of the branch point. An exhaust gas purification method in which a particulate filter is bypassed by exhaust gas by flowing in and setting a switching valve to a neutral position. 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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃An exhaust gas purification method in which particulates in the exhaust gas are oxidized and removed on the particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the oxygen concentration in the exhaust gas Is a predetermined dark 度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには上記第二領域となるように機関運転状態を変更するようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が燃焼室に流入する空気量に応じて設定され、該空気量が多いほど高く設定される排気ガス浄化方法。A first region higher than the first region and a second region other than the first region, and when the engine operation region is in the first region, the engine operation state is changed to be the second region. In the exhaust gas purification method, the predetermined concentration is set according to the amount of air flowing into the combustion chamber, and the exhaust gas purification method is set higher as the amount of air increases. 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酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、機関運転領域をパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高く且つ排気ガス中の酸素濃度が予め定められた濃度よりも高い第一領域と、該第一領域以外の第二領域とに区分し、機関運転領域が上記第一領域にあるときには上記第二領域となるように機関運転状態を変更するようにした排気ガス浄化方法において、上記予め定められた濃度が排気ガス中の炭化水素の濃度に応じて設定され、排気ガスの空燃比がリーンであるときには該炭化水素濃度が高いほど低く設定され、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍、或いはリッチであるときには該炭化水素濃度が高いほど高く設定される排気ガス浄化方法。An exhaust gas purification method in which particulates in exhaust gas are oxidized and removed on a particulate filter, wherein the temperature of the particulate filter is higher than a predetermined temperature in the engine operating region and the oxygen concentration in the exhaust gas Is divided into a first region where the concentration is higher than a predetermined concentration and a second region other than the first region, and when the engine operation region is in the first region, the engine operation state is set to the second region. In the exhaust gas purification method in which the exhaust gas is changed, the predetermined concentration is set according to the concentration of hydrocarbons in the exhaust gas, and when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, the higher the hydrocarbon concentration, An exhaust gas purification method that is set low and is set higher as the hydrocarbon concentration is higher when the air-fuel ratio of the exhaust gas is near the stoichiometric air-fuel ratio or rich. パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零にすることによりパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気ガス浄化方法。The amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made smaller than a predetermined amount by making the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter substantially zero. 2. An exhaust gas purification method as described in 1. 排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせることによりパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零にするようにした請求項７に記載の排気ガス浄化方法。The exhaust gas purification method according to claim 7, wherein the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made substantially zero by bypassing the particulate filter to the exhaust gas. 機関排気通路から第一の排気枝管と第二の排気枝管とを分岐させ、これら第一の排気枝管と第二の排気枝管とをこれらが分岐された分岐点の下流側において互いに接続してループ状の排気通路を形成し、該ループ状の排気通路内に上記パティキュレートフィルタが配置され、排気ガスを第一の排気枝管と第二の排気枝管のいずれを介してパティキュレートフィルタに流入させるかを切り換えるために回動可能な切換弁を上記分岐点に配置し、該切換弁は第一の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第一の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第二の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第二の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第二の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第一の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第一の回動位置と第二の回動位置との間の中立位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを分岐点下流の機関排気通路に直接流入させ、切換弁を中立位置とすることにより排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせるようにした請求項８に記載の排気ガス浄化方法。The first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are branched from the engine exhaust passage, and the first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are mutually connected downstream of the branch point where they are branched. A loop-shaped exhaust passage is connected to form a particulate exhaust passage, and the particulate filter is disposed in the loop-shaped exhaust passage, and exhaust gas is passed through either the first exhaust branch pipe or the second exhaust branch pipe. A switching valve that can be rotated to switch whether to flow into the curate filter is disposed at the branch point. When the switching valve is at the first rotation position, the exhaust gas upstream of the branch point is moved to the first exhaust branch. Into the particulate filter through the pipe, and flows out from the particulate filter through the second exhaust branch pipe to the engine exhaust passage downstream of the branching point. Exhaust gas to the second exhaust Flowing into the particulate filter through the pipe, flowing out from the particulate filter to the engine exhaust passage downstream of the branch point through the first exhaust branch pipe, and the first rotational position and the second rotational position, The exhaust gas upstream of the branch point flows directly into the engine exhaust passage downstream of the branch point when the neutral position is set between the exhaust valve and the particulate filter bypasses the particulate filter by setting the switching valve to the neutral position. Item 9. The exhaust gas purification method according to Item 8. 燃焼室に流入する空気量を少なくすることによりパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を予め定められた量よりも少なくするようにした請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気ガス浄化方法。The exhaust gas according to any one of claims 1 to 3, wherein the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made smaller than a predetermined amount by reducing the amount of air flowing into the combustion chamber. Purification method. 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１〜１０のいずれか１つに記載の排気ガス浄化方法。The exhaust gas purification method according to any one of claims 1 to 10, wherein a noble metal catalyst is supported on the particulate filter. 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上記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りパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項１１に記載の排気ガス浄化方法。When there is excess oxygen in the surroundings, oxygen is taken in and retained, and when the surrounding oxygen concentration decreases, an active oxygen release agent that releases the retained oxygen in the form of active oxygen is supported on the particulate filter, and the particulate filter 12. The exhaust gas purifying method according to claim 11, wherein when the fine particles adhere to the active oxygen releasing agent, the active oxygen is released from the active oxygen release agent, and the fine particles adhering to the particulate filter are oxidized by the released active oxygen. . 上記活性酸素放出剤がアルカリ金属またはアルカリ土類金属または希土類または遷移金属または炭素族元素からなる請求項１２に記載の排気ガス浄化方法。The exhaust gas purifying method according to claim 12, wherein the active oxygen release agent comprises an alkali metal, an alkaline earth metal, a rare earth, a transition metal, or a carbon group element. 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１３に記載の排気ガス浄化方法。The exhaust gas purification method according to claim 13, wherein the alkali metal and alkaline earth metal are made of a metal having a higher ionization tendency than calcium. 排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項１２に13. The fine particles adhering to the particulate filter are oxidized by temporarily enriching part or all of the air-fuel ratio of the exhaust gas. 記載の排気ガス浄化方法。The exhaust gas purification method as described.
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