JP3622674B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの排気ガス中には煤を主成分とするパティキュレートが含まれている。パティキュレートは有害物質であるために、フィルタを機関排気系に配置して大気放出以前にパティキュレートを捕集することが提案されている。このようなフィルタは、目詰まりによる排気抵抗の増加を防止するために、捕集したパティキュレートを焼失させることが必要である。
【０００３】
このようなフィルタ再生において、パティキュレートは約６００°Ｃとなれば着火燃焼するが、ディーゼルエンジンの排気ガス温度は、通常時において６００°Ｃよりかなり低く、通常はフィルタ自身を加熱する等の手段が必要である。
【０００４】
特公平７−１０６２９０号公報には、白金族金属とアルカリ土金属酸化物とをフィルタに担持させれば、フィルタ上のパティキュレートは、ディーゼルエンジンの通常時の排気ガス温度である約４００°Ｃで連続的に焼失することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このフィルタを使用しても、常に排気ガス温度が４００°Ｃ程度となっているとは限らず、また、運転状態によってはディーゼルエンジンから多量のパティキュレートが放出されることもあり、各時間で焼失できなかったパティキュレートがフィルタ上に徐々に堆積することがある。
【０００６】
このフィルタにおいて、ある程度パティキュレートが堆積すると、パティキュレート焼失能力が極端に低下するために、もはや自身でフィルタを再生することはできない。このように、この種のフィルタを単に機関排気系に配置しただけでは、比較的早期に目詰まりが発生することがある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、多量のパティキュレートが大気中へ放出されないようにすると共に、パティキュレートフィルタが少なくとも早期に目詰まりすることを防止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期における機関燃焼室からのパティキュレート排出量が多い時には、前記逆転手段による前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転を中止することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、機関燃料噴射量又は機関燃料噴射時期又は機関燃料噴射圧又は機関補助燃料噴射を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、機関吸入空気を過給するための過給手段によって過給圧を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置によって再循環排気ガス量を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、前記内燃機関は、気筒内へ不活性ガスを供給するための不活性ガス供給手段を有して、煤の発生量を最大とする最悪不活性ガス量より多量の前記不活性ガスを気筒内へ供給する低温燃焼と、前記最悪不活性ガス量より少量の前記不活性ガスを気筒内へ供給する普通燃焼とを切り換えて実施するものであり、前記低温燃焼及び前記普通燃焼への切り換えを抑制又は禁止することにより、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記設定時期は、所定時間毎又は所定走行距離毎に設定されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記設定時期は、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との差圧が設定差圧以上となった時に設定されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記設定時期は、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量が設定堆積量値以上となった時に設定されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記捕集壁には活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明による請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による排気浄化装置を備える４ストロークディーゼルエンジンの概略縦断面図を示しており、図２は図１のディーゼルエンジンにおける燃焼室の拡大縦断面図であり、図３は図１のディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図である。図１から図３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、５ａはピストン４の頂面上に形成されたキャビティ、５はキャビティ５ａ内に形成された燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は一対の吸気弁、８は吸気ポート、９は一対の排気弁、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を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７へ接続される。
【００２０】
図１に示されるように排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２１】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００２２】
３０は電子制御ユニットであり、空燃比センサ２１の出力信号と、燃料圧センサ２８の出力信号とが入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、電子制御ユニット３０には、負荷センサ４１の出力信号も入力され、さらに、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の出力信号も入力される。こうして、電子制御ユニット３０は、各種信号に基づき、燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３、及び、燃料ポンプ２７を作動する。
【００２３】
図２及び図３に示されるように本発明による実施例では燃料噴射弁６が６個のノズル口を有するホールノズルからなり、燃料噴射弁６のノズル口からは水平面に対しやや下向きに等角度間隔でもって燃料Ｆが噴射される。図３に示されるように６個の燃料噴霧Ｆのうちの２個の燃料噴霧Ｆは各排気弁９の弁体の下側面に沿って飛散する。図２及び図３は圧縮行程末期に燃料噴射が行われた時を示している。この時には燃料噴霧Ｆはキャビティ５ａの内周面に向けて進み、次いで着火燃焼せしめられる。
【００２４】
図４は排気行程中において排気弁９のリフト量が最大の時に燃料噴射弁６から追加の燃料が噴射された場合を示している。即ち、図５に示されるように圧縮上死点付近において主噴射Ｑｍが行われ、次いで排気行程の中ほどで追加の燃料Ｑａが噴射された場合を示している。この場合、排気弁９の弁体方向に進む燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面と排気ポート１０間に向かう。即ち、云い換えると燃料噴射弁６の６個のノズル口のうちの２個のノズル口は、排気弁９が開弁している時に追加の燃料Ｑａの噴射が行われると燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面と排気ポート１０間に向かうように形成されている。なお、図４に示す実施例では、この時、燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面に衝突し、排気弁９の傘部背面に衝突した燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面上において反射し、排気ポート１０内に向かう。
【００２５】
なお通常は追加の燃料Ｑａは噴射されず、主噴射Ｑｍのみが行われる。図６は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図６の横軸）を変化させた時の出力トルクの変化及びスモーク、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図６からわかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下の時にはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００２６】
図６に示されるようにＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度になった時にスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。この時、機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、この時、ＨＣ及びＣＯの発生量は増大し始める。
【００２７】
図７（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１付近でスモークの発生量が最も多い時の燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図７（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量がほぼ零の時の燃焼室５内における燃焼圧の変化を示している。図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図７（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図７（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２８】
図６及び図７に示される実験結果から次のことが言える。即ち、第一に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零の時には図６に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しない時には燃焼室５内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図７からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図７（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従って、この時、燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００２９】
第二にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図６に示されるようにＨＣ及びＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図８に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図８に示されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零になると図６に示される如くＨＣ及びＣＯの排出量が増大するがこの時のＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【００３０】
図６及び図７に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低い時には煤の発生量がほぼ零になり、この時煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室５内における燃料及びその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室５内における燃料及びその周囲の温度が或る温度以下になると煤が生成されることが判明したのである。
【００３１】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止する時の燃料及びその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はＮＯｘの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はＮＯｘの発生量から或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増大するほど燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度は低下し、ＮＯｘの発生量が低下する。この時ＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下になった時に煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下になった時の温度にほぼ一致する。
【００３２】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように、ＮＯｘの発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させることは排気ガスの浄化に極めて有効である。
【００３３】
さて、煤が生成される前の状態で炭化水素の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料及びその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃料周りにおけるガスの吸熱作用が極めて大きく影響することが判明している。
【００３４】
即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼する。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、この時には燃料から離れている空気は燃料の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
【００３５】
一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制するには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【００３６】
この場合、燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ２やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００３７】
図９は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えた時のＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図９において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０°Ｃに維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００３８】
図９の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図９の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【００３９】
また、図９の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図９は機関負荷が比較的高い時のスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【００４０】
図１０は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及びこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図１０において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われない時に燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００４１】
図１０を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図１０に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図１０においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられた時に燃料及びその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ５５パーセント以上であり、図１０に示す実施例では７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入された全吸入ガス量を図１０において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図１０に示すような割合にすると燃料及びその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、この時のＮＯｘ発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯｘの発生量は極めて少量となる。
【００４２】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図１０に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【００４３】
一方、図１０の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガス及び吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従って、この場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００４４】
前述したように図１０は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図１０に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下にすることができ、また図１０に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下にすることができる。
【００４５】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、この時ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンの時、或いは空燃比が理論空燃比の時でも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００４６】
このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこの時平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００４７】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低い時に限られる。従って本発明による実施例では機関負荷が比較的低い時には燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第一燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関負荷が比較的高い時には第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第一燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【００４８】
図１１は第一燃焼、即ち低温燃焼が行われる第一の運転領域Ｉと、第二燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第二の燃焼領域ＩＩとを示している。なお、図１１において縦軸Ｌはアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図１１においてＸ（Ｎ）は第一の運転領域Ｉと第二の運転領域ＩＩとの第一の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第一の運転領域Ｉと第二の運転領域ＩＩとの第二の境界を示している。第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第一の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第二の運転領域ＩＩから第一の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第二の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４９】
即ち、機関の運転状態が第一の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われている時に要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第一の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第二の運転領域ＩＩに移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第二の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第一の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００５０】
図１２は空燃比センサ２１の出力を示している。図１２に示されるように空燃比センサ２１の出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。次に図１３を参照しつつ第一の運転領域Ｉ及び第二の運転領域ＩＩにおける運転制御について概略的に説明する。
【００５１】
図１３は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期及び噴射量を示している。図１３に示されるように要求負荷Ｌの低い第一の運転領域Ｉではスロットル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図１３に示される例では第一の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【００５２】
言い換えると第一の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、この時空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第一の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００５３】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、この時ＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５４】
一方、機関の運転領域が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁１６の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめられる。この時図１３に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図９）を飛び越えるので機関の運転領域が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩに変わる時に多量のスモークが発生することがない。
【００５５】
第二の運転領域ＩＩでは従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では煤及びＮＯｘが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機関の運転領域が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩに変わると図１３に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。
【００５６】
第二の運転領域ＩＩではスロットル弁１６は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。この運転領域ＩＩではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第二の運転領域ＩＩでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００５７】
図１４は第一の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１４において、Ａ／Ｆ＝１５．５、Ａ／Ｆ＝１６、Ａ／Ｆ＝１７、Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々空燃比が１５．５、１６、１７、１８である時を示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１４に示されるように第一の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第一の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５８】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図１４に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本実施例では要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５９】
なお、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１５（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１５（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６０】
図１６は第二燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われる時の目標空燃比を示している。なお、図１６においてＡ／Ｆ＝２４、Ａ／Ｆ＝３５、Ａ／Ｆ＝４５、Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫々目標空燃比２４、３５、４５、６０を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１７（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１７（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６１】
こうして、本実施例のディーゼルエンジンでは、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、第一燃焼、すなわち、低温燃焼と、第二燃焼、すなわち、普通の燃焼とが切り換えられ、各燃焼において、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、図１５又は図１７に示すマップによってスロットル弁１６及びＥＧＲ弁の開度制御が実施される。
【００６２】
図１８は本実施例の排気浄化装置を示す平面図であり、図１９はその側面図である。本排気浄化装置は、排気マニホルド１７の下流側に排気管１８を介して接続された切換部７１と、パティキュレートフィルタ７０と、パティキュレートフィルタ７０の一方側と切換部７１とを接続する第一接続部７２ａと、パティキュレートフィルタ７０の他方側と切換部７１とを接続する第二接続部７２ｂと、切換部７１の下流側の排気通路７３とを具備している。切換部７１は、切換部７１内で排気流れを遮断することを可能とする弁体７１ａを具備している。弁体７１は、負圧アクチュエータ又はステップモータ等によって駆動される。弁体７１ａの第一遮断位置において、切換部７１内の上流側が第一接続部７２ａと連通されると共に切換部７１内の下流側が第二接続部７２ｂと連通され、排気ガスは、図１８に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０の一方側から他方側へ流れる。
【００６３】
また、図２０は、弁体７１ａの第二遮断位置を示している。この遮断位置において、切換部７１内の上流側が第二接続部７２ｂと連通されると共に切換部７１内の下流側が第一接続部７２ａと連通され、排気ガスは、図２０に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタ７０へ流入する排気ガスの方向を逆転することができ、すなわち、パティキュレートフィルタ７０の排気上流側と排気下流側とを逆転することが可能となる。
【００６４】
このように、本排気浄化装置は、非常に簡単な構成によってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転することを可能とする。また、パティキュレートフィルタにおいては、排気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積が必要とされるが、本排気浄化装置では、図１８及び１９に示すように、車両搭載性を悪化させることなく、大きな開口面積を有するパティキュレートフィルタを使用可能である。
【００６５】
この一方で、本排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するために、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ回動させる間において、図２１に示すように、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過せずに大気中へ放出されてしまう。
【００６６】
図２２にパティキュレートフィルタ７０の構造を示す。なお、図２２において、（Ａ）はパティキュレートフィルタ７０の正面図であり、（Ｂ）は側面断面図である。これらの図に示すように、本パティキュレートフィルタ７０は、長円正面形状を有し、例えば、コージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム構造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線方向に延在する隔壁５４によって細分された多数の軸線方向空間を有している。隣接する二つの軸線方向空間において、栓５３によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路５０となり、他方は流出通路５１となり、排気ガスは、図２２（Ｂ）に矢印で示すように、必ず隔壁５４を通過する。排気ガス中のパティキュレートは、隔壁５４の細孔の大きさに比較して非常に小さいものであるが、隔壁５４の排気上流側表面上及び隔壁５４内の細孔表面上に衝突して捕集される。こうして、各隔壁５４は、パティキュレートを捕集する捕集壁として機能する。本パティキュレートフィルタ７０において、捕集されたパティキュレートを酸化除去するために、隔壁５４の両側表面上、及び、好ましくは隔壁５４内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。
【００６７】
活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。
【００６８】
貴金属触媒としては、通常、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のような希土類、及び遷移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００６９】
なお、この場合、活性酸素放出剤としては、カルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
【００７０】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタによって、捕集されたパティキュレートがどのように酸化除去されるかについて、白金Ｐｔ及びカリウムＫの場合を例にとって説明する。他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様なパティキュレート除去作用が行われる。
【００７１】
ディーゼルエンジンでは通常空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路及び燃焼室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、この空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室内で酸素と反応してＳＯ２となる。従って排気ガス中にはＳＯ２が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯ及びＳＯ２を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ７０の排気上流側へ流入することになる。
【００７２】
図２３（Ａ）及び（Ｂ）はパティキュレートフィルタ７０における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表している。なお、図２３（Ａ）及び（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００７３】
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の排ガス接触面内に接触すると、図２３（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図２３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ −の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ３を生成する。このようにして、本実施例では、排気ガスに含まれる有害なＮＯｘをパティキュレートフィルタ７０に吸収し、大気中への放出量を大幅に減少させることができる。
【００７４】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ２も含まれており、このＳＯ２もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面でＯ２ −又はＯ２−と反応してＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ＳＯ４を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ３及び硫酸カリウムＫ２ＳＯ４が生成される。
【００７５】
排気ガス中のパティキュレートは、図２３（Ｂ）において６２で示されるように、パティキュレートフィルタに担持された活性酸素放出剤６１の表面上に付着する。この時、パティキュレート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内の酸素がパティキュレート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がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００７６】
一方、この時、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がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ２が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。但し、硫酸カリウムＫ２ＳＯ４は、安定化しているために、硝酸カリウムＫＮＯ３に比べて活性酸素を放出し難い。
【００７７】
一方、パティキュレート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。従ってパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏがパティキュレート６２に接触するとパティキュレート６２は輝炎を発することなく酸化せしめられる。また、パティキュレート６２を酸化する活性酸素Ｏは、活性酸素放出剤６１へＮＯ及びＳＯ２が吸収される時にも放出される。
【００７８】
ところで白金Ｐｔ及び活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易くなる。従ってパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを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の温度が高くなるほど増大する。
【００７９】
図２４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２４において横軸はパティキュレートフィルタの温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃焼室から排出されるパティキュレート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量Ｇよりも少ない時、即ち図２４の領域Ｉでは燃焼室から排出された全てのパティキュレートがパティキュレートフィルタに捕集されると短時間のうちにパティキュレートフィルタにおいて輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。ここで、短時間とは、酸化除去され易いパティキュレートでは数秒であるが、酸化除去され難いパティキュレートでは数十分となることもある。
【００８０】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い時、即ち図２４の領域ＩＩでは全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している。図２５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合におけるパティキュレートの酸化の様子を示している。
【００８１】
即ち、全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している場合には図２５（Ａ）に示すようにパティキュレート６２が活性酸素放出剤６１上に付着するとパティキュレート６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分がパティキュレートフィルタの排気上流側面上に残留する。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パティキュレート部分が排気上流面上に残留し、その結果図２５（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタの排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われるようになる。
【００８２】
このような残留パティキュレート部分６３は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ２の酸化作用及び活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が抑制される。それにより、時間を掛ければ徐々に残留パティキュレート部分６３を酸化させることができるが、図２５（Ｃ）に示されるように残留パティキュレート部分６３の上に別のパティキュレート６４が次から次へと堆積して、即ち、パティキュレートが積層状に堆積すると、これらパティキュレートは、白金Ｐｔや活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキュレートであっても活性酸素によって酸化されることはない。従ってこのパティキュレート６４上に更に別のパティキュレートが次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【００８３】
このように図２４の領域Ｉではパティキュレートはパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図２４の領域ＩＩではパティキュレートがパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する。従って、排出微粒子量Ｍと酸化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉにすれば、パティキュレートフィルタ上へのパティキュレートの堆積を防止することができる。しかしながら、これが常に実現されるとは限らず、何もしなければパティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することがある。
【００８４】
本実施例では、前述の電子制御ユニット３０により図２６に示す第一フローチャートに従って弁体７１ａの切換制御を実施し、パティキュレートフィルタへの多量なパティキュレートの堆積を防止している。本フローチャートは短時間で繰り返される。先ず、ステップ１０１において、弁体７１ａを切り換えるための設定時期となったか否かが判断される。この設定時期は、所定時間毎又は所定走行距離毎に設定される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時にはステップ１０２に進み、現在の機関燃焼室からのパティキュレート排出量、すなわち、排出微粒子量Ｍが設定量Ｍ１以上であるか否かが判断される。この排出微粒子量の把握には、機関負荷及び機関回転数等によって定まる機関運転状態に基づき予めマップ化しておいても良いし、排気ガス中のパティキュレート量を光学的に検出する微粒子センサ等を用いても良い。マップ化には、本実施例のディーゼルエンジンの場合、低温燃焼が実施されるか、普通燃焼が実施されるかも考慮される。
【００８５】
ステップ１０２における判断が否定される時、例えば、機関減速時、アイドル時、機関低負荷時、又は、低温燃焼時等では、排気ガス中に含まれるパティキュレート量はそれほど多くなく、ステップ１０３において弁体７１ａの切り換えを実行する。すなわち、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転される。一方、ステップ１０２における判断が肯定される時には、排気ガス中に含まれるパティキュレート量は比較的多く、ステップ１０４において弁体７１ａの切り換えを中止し、ステップ１０２における判断が否定された時に始めて弁体７１ａを切り換える。
【００８６】
図２７は、パティキュレートフィルタの隔壁５４の拡大断面図である。車両が所定時間又は所定走行距離を走行する間には、図２４の領域ＩＩでの運転が実施されることもあり、図２７（Ａ）に格子で示すように、排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面は、一方の捕集面としてパティキュレートを衝突捕集し、活性酸素放出剤により酸化除去するが、この酸化除去が不十分となってパティキュレートが残留することがある。この時点では、パティキュレートフィルタの排気抵抗は車両走行に悪影響を与えるほどではないが、さらにパティキュレートが堆積すれば、機関出力の大幅な低下等の問題を発生する。第一フローチャートでは、この時点において、排気ガス中に含まれるパティキュレート量がそれほど多くない時には、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転される。それにより、隔壁５４の一方の捕集面に残留するパティキュレート上には、さらにパティキュレートが堆積することはなく、一方の捕集面から放出される活性酸素によって残留パティキュレートは徐々に酸化除去される。また、残留パティキュレートは、逆方向の排気ガス流によって、図２７（Ｂ）に示すように、容易に破壊されて細分化され、細孔内を主に下流側へ流動する。
【００８７】
それにより、細分化された多くのパティキュレートは、隔壁の細孔内に分散し、隔壁の細孔内表面に担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除去される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも活性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレートを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔壁５４の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面（一方の捕集面とは反対側の関係となる）では、排気ガス中の新たなパティキュレートが付着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素やＮＯｘ及びＳＯｘを吸収する際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素によって酸化除去される。これらの酸化除去の際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残留するパティキュレートを酸化除去する。
【００８８】
すなわち、隔壁における一方の捕集面の残留パティキュレートには、この捕集面から放出される活性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された残りの活性酸素が排気ガスと共に到来する。それにより、弁体の切り換え時点において、隔壁の一方の捕集面にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたとしても、排気ガスを逆流させれば、残留パティキュレート上に堆積するパティキュレートへも活性酸素が到来することに加えて、さらにパティキュレートが堆積することはないために、堆積パティキュレートは徐々に酸化除去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、この間で十分に酸化除去可能である。
【００８９】
第一フローチャートにおいて、弁体の切り換えは、所定時間毎又は所定走行距離毎に行うようになっており、パティキュレートフィルタ上の残留パティキュレートが酸化され難いカーボン質に変質する以前に弁体が切り換えられる。また、多量のパティキュレートが堆積する以前にパティキュレートを酸化除去することは、多量の堆積パティキュレートが一度に着火燃焼して多量の燃焼熱によりパティキュレートフィルタが溶損する等の問題を防止することにもなる。また、何らかの要因によって、弁体の切り換え時点でパティキュレートフィルタ隔壁の一方の捕集面に多量のパティキュレートが堆積してしまったとしても、弁体が切り換えられれば、堆積パティキュレートは逆方向の排気ガス流によって比較的容易に破壊及び細分化されるために、隔壁の細孔内で酸化除去できなかった一部の細分化パティキュレートはパティキュレートフィルタから排出されることとなるが、パティキュレートフィルタの排気抵抗がさらに高まって車両走行に悪影響を与えることはなく、また、パティキュレートフィルタ隔壁の他方の捕集面によって新たなパティキュレートの捕集が可能となる。
【００９０】
本排気浄化装置は、前述したように、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換える間において、排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることとなるが、本フローチャートによれば、この時に排気ガス中にはパティキュレートが含まれていないか又は含まれていたとしてもパティキュレート量はそれほど多くないために、弁体７１ａを切り換える短い時間だけ排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスしても、大気中へは殆どパティキュレートが放出されることはない。
【００９１】
また、パティキュレートフィルタ上に残留及び堆積するパティキュレート量に応じてパティキュレートフィルタ７０の排気上流側と排気下流側との差圧が上昇することを利用し、この差圧が設定差圧以上となった時を、パティキュレートフィルタ上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるための設定時期としても良い。具体的には、パティキュレートフィルタ７０の一方側の排気圧力、すなわち、第一接続部７２ａ（図１８参照）内の排気圧力を、第一接続部７２ａに配置された圧力センサによって検出すると共に、パティキュレートフィルタの他方側の排気圧力、すなわち、第二接続部７２ｂ（図１８参照）内の排気圧力を、第二接続部７２ｂに配置された圧力センサによって検出し、これらの排気圧力の差圧の絶対値が、設定圧力差以上となったか否かを判断する。ここで、差圧の絶対値を使用するのは、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂのいずれが排気上流側となっていても差圧の上昇を把握可能とするためである。
【００９２】
また、この差圧以外にも、例えば、パティキュレートフィルタの所定隔壁上における電気抵抗値の変化を監視して、パティキュレートの堆積によって電気抵抗値が設定値以下となった時を、パティキュレートフィルタ上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるための設定時期としても良い。また、パティキュレートフィルタの所定隔壁において、パティキュレートの堆積により、光の透過率が低下すること、又は、光の反射率が低下することを利用して、弁体を切り換えるための設定時期を設定しても良い。このように、パティキュレートの堆積を直接的に判断して弁体を切り換えるための設定時期を設定することにより、さらに確実に機関出力の大幅な低下を防止することができる。
【００９３】
図２８は、第一フローチャートに代えて、パティキュレートフィルタ上に多量のパティキュレートが堆積することを防止するための第二フローチャートである。第一フローチャートとの違いについてのみ以下に説明する。本フローチャートでは、ステップ２０２において、排出微粒子量Ｍが設定量Ｍ１以上であると判断された時には、ステップ２０３において、機関状態を変化させて排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくし、その後に、ステップ２０４において、弁体の切り換えを実行するようになっている。こうして、第一フローチャートと同様に、大気中へ殆どパティキュレートを放出することなく、排気ガスの逆流によってパティキュレートフィルタ上に多量のパティキュレートが堆積することを防止している。
【００９４】
第二フローチャートにおいて、機関状態を変化させて排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくするためには、燃焼室内で噴射燃料と空気とが十分に混合すればするほど、即ち、噴射燃料周りの空気量が多くなればなるほど噴射燃料は良好に燃焼せしめられるので微粒子発生量が少なくなることを利用することができる。例えば燃料噴射量を低下させると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、噴射時期を進角すると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、コモンレール２６内の燃料圧、即ち噴射圧を高めると噴射燃料が分散するので噴射燃料と空気との混合が良好となり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、主燃料の噴射直前の圧縮行程末期に補助燃料を噴射するようにしている場合、いわゆるパイロット噴射を行っている場合には補助燃料の燃焼により酸素が消費されるために主燃料周りの空気が不十分となる。従ってこの場合にはパイロット噴射を停止することによって排出微粒子量Ｍが低減する。すなわち、燃料噴射量が低下せしめられるか、又は燃料噴射時期が進角されるか、又は噴射圧が高められるか、又はパイロット噴射が停止されることによって機関状態を変化させ、排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくすることができる。
【００９５】
また、ＥＧＲ率が低下すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。それにより、ＥＧＲ制御弁２３の開度が低下させてＥＧＲ率を低下させることによって機関状態を変化させ、排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくすることができる。また、吸入空気を過給するための過給器が設けられている場合には、過給圧が増大すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。それにより、過給器としてターボチャージャが設けられている場合には、過給圧を増大するためにウェストゲートバルブの開度を減少させることによって機関状態を変化させ、排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくすることができる。
【００９６】
また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、即ち排気ガス中の酸素濃度を低下させると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積したパティキュレートを輝炎を発することなく容易に酸化除去することができる。すなわち、堆積パティキュレートは、放出された活性酸素Ｏによって酸化され易いものとなることに加えて、貴金属触媒の酸素被毒がリッチガス中の還元成分によって回復され、その活性が向上するために活性酸素放出剤が活性酸素を放出し易くなり、堆積パティキュレートの酸化除去を容易にする。こうして、弁体７１ａによってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換えた直後に排気ガスの空燃比をリッチにすれば、パティキュレートが残留していないパティキュレートフィルタ隔壁の他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性酸素を放出し易いために、さらに多量に放出される活性酸素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートを、さらに確実に酸化除去することが可能となる。もちろん、弁体７１ａの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比をリッチにしても良く、それにより、パティキュレートフィルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【００９７】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施しても良く、機関燃料噴射弁によって排気行程において燃料噴射を実施しても良く、又は、パティキュレートフィルタの上流側において機関排気系に燃料を噴射しても良い。第二フローチャートでは、弁体を切り換えるための設定時期において、排出微粒子量Ｍが設定量Ｍ１以上である場合にだけ、排出微粒子量を抑制するようにしたが、もちろん、設定時期においては、弁体の切り換えによって排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスすることとなるために、常に排出微粒子量を抑制するようにしても良い。
【００９８】
図２９は、第一フローチャート又は第二フローチャートと並行して実施される第三フローチャートである。本フローチャートでは、先ず、ステップ３０１において、パティキュレートフィルタ７０の排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段が故障しているか否かが判断される。具体的には、弁体７１が、固着によって、又は、負圧アクチュエータ又はステップモータ等の駆動装置の異常によって、第一遮断位置、第二遮断位置、又は、これらの遮断位置の間である中間位置で動かなくなっているかどうかが判断される。この判断には、弁体７１に電気抵抗式等の位置センサを取り付けて、意図する弁体位置と実際の弁体位置との違いを検出すれば良い。
【００９９】
また、前述したように、パティキュレートフィルタ上に残留及び堆積するパティキュレート量を判断するために、第一接続部７２ａと第二接続部７２ｂとにそれぞれ圧力センサが設けられている場合には、意図する弁体位置に対して、二つの圧力センサの出力を検出すれば良い。パティキュレートフィルタ７０は、全くパティキュレートを捕集していなくても、多少なりとも排気抵抗となるために、排気上流側の圧力が排気下流側の圧力より高くなるはずである。それにより、意図する弁体位置に対して、この圧力の関係が逆になっていれば、意図するように弁体７１ａが動いていないこととなる。また、中間位置で弁体７１ａが動かなくなっていると、排気ガスはパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることとなり、二つの圧力センサの出力は、パティキュレートフィルタ７０に全くパティキュレートが捕集されていない時よりも、さらに近い値となる。また、駆動装置の断線等が検出されれば、もちろん、弁体７１ａを意図するように動かすことはできず、逆転手段の故障となる。
【０１００】
ステップ３０１における判断が否定される時にはそのまま終了するが、前述のようにして逆転手段が故障していると判断された時には、ステップ３０２に進んで普通燃焼を実施するようにし、ステップ３０３において運転領域に係らずに低温燃焼への切り換えを禁止する。
【０１０１】
前述したように、普通燃焼は煤の発生量が最大となる最悪排気ガス量より少ない排気ガスを気筒内へ再循環して実施する燃焼であり、また、低温燃焼は最悪排気ガス量より多い排気ガスを気筒内へ再循環して実施する燃焼であるために、これら二つの燃焼を切り換えるために、再循環排気ガス量を増加させる場合も減少させる場合も、最悪排気ガス量が気筒内へ再循環されることがあり、この時には、非常に多量のパティキュレートが気筒内から排出されることとなる。
【０１０２】
弁体７１ａが中間位置で動かなくなっていて排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスしている場合に、もし、運転領域の変化に応じて頻繁に低温燃焼と普通燃焼とが切り換えられれば、その度に、非常に多量のパティキュレートが大気中へ放出されてしまう。また、弁体７１ａがいずれかの遮断位置で動かなくなっている場合に、運転領域の変化に応じて頻繁に低温燃焼と普通燃焼とが切り換えられて、その度に、非常に多量のパティキュレートがパティキュレートフィルタへ捕集されると、この時には、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転ができないために、前述のように良好にパティキュレートを酸化除去することができず、パティキュレートフィルタの排気抵抗が直ぐに車両走行に影響を与えるようになってしまう。
【０１０３】
しかしながら、本フローチャートによれば、逆転手段の故障発生後は、低温燃焼を禁止して、常に普通燃焼を実施するようになっており、運転切り換えに伴って気筒内から多量のパティキュレートが排出されることなく、多量のパティキュレートが大気中へ放出されたり、パティキュレートフィルタの排気抵抗が直ぐに運転に影響するほど増大することなく、逆転手段の修理のために、問題なく修理工場へ車両を乗り入れることが可能である。
【０１０４】
本フローチャートにおいて、逆転手段の故障発生後は、常に普通燃焼を実施するようにしたが、これは、普通燃焼が全ての運転領域で実施可能であるためである。しかしながら、逆転手段の故障時において、低温燃焼が実施されている場合には、普通燃焼への切り換え時に一度だけ多量のパティキュレートが気筒内から排出されることとなるために、この場合には、普通燃焼へ切り換えることなく低温燃焼を常に実施するようにしても良い。この場合には、運転領域を前述の第一運転領域に制限する必要があるが、修理工場までのそれほど長くない期間であるために、特に問題とはならない。
【０１０５】
また、普通燃焼又は低温燃焼のいずれかに制限することなく、普通燃焼及び低温燃焼の運転領域の一方を拡大する等して、運転切り換えの頻度を低減すること、すなわち、運転切り換えを抑制することでも、逆転手段の故障発生後における気筒内からの排出微粒子量を抑制することができ、前述の問題を比較的良好に改善することが可能である。
【０１０６】
このように、逆転手段の正常時において、弁体を切り換える際に排出微粒子量を抑制することが効果的である（第二フローチャート）と共に、逆転手段の故障発生後にも排出微粒子量を抑制することは効果的である。もちろん、逆転手段の故障発生後に、第二フローチャートで説明したと同様に、運転状態を変化させて排出微粒子量を抑制しても良く、また、逆転手段の正常時において弁体を切り換える際に、普通燃焼及び低温燃焼の切り換えを禁止して排出微粒子量を抑制するようにしても良い。
【０１０７】
ところで、排気ガス中のカルシウムＣａはＳＯ３が存在すると、前述したアッシュのような硫酸カルシウムＣａＳＯ４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４によるパティキュレートフィルタの目詰まりを防止するためには、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ３はカリウムＫと結合して硫酸カリウム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の隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィルタがアッシュによって目詰まりすることがなくなる。こうして、前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【０１０８】
また、活性酸素放出剤としてパティキュレートフィルタに白金Ｐｔのような貴金属のみを担持させても、白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ２又はＳＯ３から活性酸素を放出させることができる。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図２４に示す実線に比べて若干右側に移動する。また、活性酸素放出剤としてセリアを用いることも可能である。セリアは、排気ガス中の酸素濃度が高いと酸素を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると活性酸素を放出するものであるために、パティキュレートの酸化除去のために、排気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必要がある。セリアに代えて鉄又は錫を活性酸素放出剤として使用することも可能である。また、活性酸素放出剤として排気ガス中のＮＯｘ浄化に使用されるＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いることも可能である。この場合においては、吸蔵したＮＯｘを放出させるために排気ガスの空燃比を少なくとも一時的にリッチにする必要があり、このリッチ化制御をパティキュレートフィルタの上流側と下流側との逆転後に実施することが好ましい。
【０１０９】
本実施例のディーゼルエンジンは、低温燃焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、もちろん、通常燃焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパティキュレートを排出するガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。
【０１１０】
パティキュレートを排出するガソリンエンジンとして、例えば、筒内噴射式火花点火内燃機関が考えられる。この筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備して圧縮行程後半で燃料を噴射するものである。こうして噴射された燃料は、ピストン頂面に形成されたキャビティを利用する等して、気化して点火プラグ近傍に向かい、点火プラグ近傍に着火性の良好な可燃混合気を形成する。この可燃混合気を着火燃焼させることにより、気筒内全体としてはリーンな混合気が燃焼可能となる。このような燃焼方式は、成層燃焼と称され、燃料消費率を低減することを可能とする。
【０１１１】
しかしながら、成層燃焼を常に実施することは困難である。圧縮行程後半の限られた時間内で噴射可能な燃料量はそれほど多くはなく、機関高負荷時のように多量の燃料が必要な場合には、一般的に、成層燃焼を断念して、吸気行程で燃料を噴射することにより、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を実施するようになっている。
【０１１２】
この均質燃焼時には、気筒内でパティキュレートは殆ど生成されないが、成層燃焼は、若干燃焼状態が悪く、ディーゼルエンジンほどではないがパティキュレートが生成されることとなる。それにより、排気系に前述のようにしてパティキュレートフィルタを配置することが望ましい。
【０１１３】
このような筒内噴射式火花点火内燃機関の場合には、前述の第三フローチャートにおいて、逆転手段の故障発生後は、成層燃焼を禁止して、均質燃焼でのみ運転することにより、気筒内からパティキュレートが排出されることはなく、大気中へのパティキュレート放出の問題及びパティキュレートフィルタの早期目詰まりの問題を防止することができる。均質燃焼は、全ての運転領域で実施可能であり、運転上も問題ない。また、均質燃焼の運転領域を拡大して、成層燃焼の実施頻度を減少させることでも、比較的良好に前述の問題を改善することができる。
【０１１４】
また、逆転手段の正常時において弁体を切り換える際には、成層燃焼を禁止して均質燃焼を実施することにより、大気中へパティキュレートが放出されることを防止することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
このように、本発明による内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において逆転手段によりパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、逆転手段は、弁体を具備し、弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部がパティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、設定時期における機関燃焼室からのパティキュレート排出量が多い時には、逆転手段によるパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転を中止するようになっている。それにより、運転状態によっては、パティキュレートの酸化が不十分となってパティキュレートフィルタ捕集壁の第一捕集面にはある程度パティキュレートが残留することがあるが、設定時期において逆転手段によりパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転することによって、捕集壁の第一捕集面には新たにパティキュレートが堆積することはなく、堆積パティキュレートを徐々に酸化除去可能である。同時に、捕集壁の第二捕集面によってパティキュレートの捕集及び酸化除去が開始される。こうして、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転によって第一捕集面と第二捕集面とを交互に使用してパティキュレートが捕集されるために、各捕集面で捕集するパティキュレート量は単一の捕集面で捕集する場合に比較して低減され、パティキュレートフィルタにパティキュレートが堆積し難くなってパティキュレートの酸化除去が容易となり、パティキュレートフィルタの目詰まりを防止することができる。また、設定時期にパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させるために弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換えられると、一部の排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスすることとなるが、設定時期における機関燃焼室からのパティキュレート排出量が多い時には、この逆転が中止されるために、バイパス排気ガスと共に多量のパティキュレートが大気中へ放出されることはない。
【０１１６】
また、本発明によるもう一つの内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において逆転手段によりパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、逆転手段は、弁体を具備し、弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部がパティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制するようになっている。それにより、前述の排気浄化装置と同様に、設定時期におけるパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転によって、パティキュレートフィルタの目詰まりを防止することができる。また、逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制するようになっており、逆転手段の故障によって弁体が二つの位置の間で動かなくなっても、バイパス排気ガスと共に多量のパティキュレートが大気中へ放出されることはなく、また、逆転手段の故障によって弁体が二つの位置の一方で動かなくなっても、パティキュレートフィルタが早期に目詰まりすることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置を備えるディーゼルエンジンの概略縦断面図である。
【図２】図１の燃焼室の拡大縦断面図である。
【図３】図１のシリンダヘッドの底面図である。
【図４】燃焼室の側面断面図である。
【図５】吸排気弁のリフトと燃料噴射を示す図である。
【図６】スモーク及びＮＯｘの発生量等を示す図である。
【図７】燃焼圧を示す図である。
【図８】燃料分子を示す図である。
【図９】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図１０】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図１１】第一の運転領域Ｉ及び第二の運転領域ＩＩを示す図である。
【図１２】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１４】第一の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１５】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１６】第二の燃焼における空燃比を示す図である。
【図１７】スロットル弁等の目標開度を示す図である。
【図１８】機関排気系における切換部及びパティキュレートフィルタ近傍の平面図である。
【図１９】図１８の側面図である。
【図２０】切換部内の弁体の図１８とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図２１】切換部内の弁体の中間位置を示す図である。
【図２２】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図２３】パティキュレートの酸化作用を説明するための図である。
【図２４】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２５】パティキュレートの堆積作用を説明するための図である。
【図２６】パティキュレートフィルタへの多量のパティキュレートの堆積を防止するための第一フローチャートである。
【図２７】パティキュレートフィルタの融壁の拡大断面図である。
【図２８】パティキュレートフィルタへの多量のパティキュレートの堆積を防止するための第二フローチャートである。
【図２９】逆転手段の故障時における運転切り換え制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
７０…パティキュレートフィルタ
７１…切換部
７１ａ…弁体
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの排気ガス中には煤を主成分とするパティキュレートが含まれている。パティキュレートは有害物質であるために、フィルタを機関排気系に配置して大気放出以前にパティキュレートを捕集することが提案されている。このようなフィルタは、目詰まりによる排気抵抗の増加を防止するために、捕集したパティキュレートを焼失させることが必要である。
【０００３】
このようなフィルタ再生において、パティキュレートは約６００°Ｃとなれば着火燃焼するが、ディーゼルエンジンの排気ガス温度は、通常時において６００°Ｃよりかなり低く、通常はフィルタ自身を加熱する等の手段が必要である。
【０００４】
特公平７−１０６２９０号公報には、白金族金属とアルカリ土金属酸化物とをフィルタに担持させれば、フィルタ上のパティキュレートは、ディーゼルエンジンの通常時の排気ガス温度である約４００°Ｃで連続的に焼失することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このフィルタを使用しても、常に排気ガス温度が４００°Ｃ程度となっているとは限らず、また、運転状態によってはディーゼルエンジンから多量のパティキュレートが放出されることもあり、各時間で焼失できなかったパティキュレートがフィルタ上に徐々に堆積することがある。
【０００６】
このフィルタにおいて、ある程度パティキュレートが堆積すると、パティキュレート焼失能力が極端に低下するために、もはや自身でフィルタを再生することはできない。このように、この種のフィルタを単に機関排気系に配置しただけでは、比較的早期に目詰まりが発生することがある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、多量のパティキュレートが大気中へ放出されないようにすると共に、パティキュレートフィルタが少なくとも早期に目詰まりすることを防止可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期における機関燃焼室からのパティキュレート排出量が多い時には、前記逆転手段による前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転を中止することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、機関燃料噴射量又は機関燃料噴射時期又は機関燃料噴射圧又は機関補助燃料噴射を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、機関吸入空気を過給するための過給手段によって過給圧を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置によって再循環排気ガス量を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、前記内燃機関は、気筒内へ不活性ガスを供給するための不活性ガス供給手段を有して、煤の発生量を最大とする最悪不活性ガス量より多量の前記不活性ガスを気筒内へ供給する低温燃焼と、前記最悪不活性ガス量より少量の前記不活性ガスを気筒内へ供給する普通燃焼とを切り換えて実施するものであり、前記低温燃焼及び前記普通燃焼への切り換えを抑制又は禁止することにより、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記設定時期は、所定時間毎又は所定走行距離毎に設定されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記設定時期は、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との差圧が設定差圧以上となった時に設定されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記設定時期は、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量が設定堆積量値以上となった時に設定されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記捕集壁には活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明による請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による排気浄化装置を備える４ストロークディーゼルエンジンの概略縦断面図を示しており、図２は図１のディーゼルエンジンにおける燃焼室の拡大縦断面図であり、図３は図１のディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図である。図１から図３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、５ａはピストン４の頂面上に形成されたキャビティ、５はキャビティ５ａ内に形成された燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は一対の吸気弁、８は吸気ポート、９は一対の排気弁、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を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７へ接続される。
【００２０】
図１に示されるように排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２１】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００２２】
３０は電子制御ユニットであり、空燃比センサ２１の出力信号と、燃料圧センサ２８の出力信号とが入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、電子制御ユニット３０には、負荷センサ４１の出力信号も入力され、さらに、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の出力信号も入力される。こうして、電子制御ユニット３０は、各種信号に基づき、燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３、及び、燃料ポンプ２７を作動する。
【００２３】
図２及び図３に示されるように本発明による実施例では燃料噴射弁６が６個のノズル口を有するホールノズルからなり、燃料噴射弁６のノズル口からは水平面に対しやや下向きに等角度間隔でもって燃料Ｆが噴射される。図３に示されるように６個の燃料噴霧Ｆのうちの２個の燃料噴霧Ｆは各排気弁９の弁体の下側面に沿って飛散する。図２及び図３は圧縮行程末期に燃料噴射が行われた時を示している。この時には燃料噴霧Ｆはキャビティ５ａの内周面に向けて進み、次いで着火燃焼せしめられる。
【００２４】
図４は排気行程中において排気弁９のリフト量が最大の時に燃料噴射弁６から追加の燃料が噴射された場合を示している。即ち、図５に示されるように圧縮上死点付近において主噴射Ｑｍが行われ、次いで排気行程の中ほどで追加の燃料Ｑａが噴射された場合を示している。この場合、排気弁９の弁体方向に進む燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面と排気ポート１０間に向かう。即ち、云い換えると燃料噴射弁６の６個のノズル口のうちの２個のノズル口は、排気弁９が開弁している時に追加の燃料Ｑａの噴射が行われると燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面と排気ポート１０間に向かうように形成されている。なお、図４に示す実施例では、この時、燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面に衝突し、排気弁９の傘部背面に衝突した燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面上において反射し、排気ポート１０内に向かう。
【００２５】
なお通常は追加の燃料Ｑａは噴射されず、主噴射Ｑｍのみが行われる。図６は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図６の横軸）を変化させた時の出力トルクの変化及びスモーク、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図６からわかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下の時にはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００２６】
図６に示されるようにＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度になった時にスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。この時、機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、この時、ＨＣ及びＣＯの発生量は増大し始める。
【００２７】
図７（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１付近でスモークの発生量が最も多い時の燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図７（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量がほぼ零の時の燃焼室５内における燃焼圧の変化を示している。図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図７（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図７（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２８】
図６及び図７に示される実験結果から次のことが言える。即ち、第一に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零の時には図６に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しない時には燃焼室５内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図７からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図７（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従って、この時、燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００２９】
第二にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図６に示されるようにＨＣ及びＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図８に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図８に示されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零になると図６に示される如くＨＣ及びＣＯの排出量が増大するがこの時のＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【００３０】
図６及び図７に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低い時には煤の発生量がほぼ零になり、この時煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室５内における燃料及びその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室５内における燃料及びその周囲の温度が或る温度以下になると煤が生成されることが判明したのである。
【００３１】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止する時の燃料及びその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はＮＯｘの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はＮＯｘの発生量から或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増大するほど燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度は低下し、ＮＯｘの発生量が低下する。この時ＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下になった時に煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下になった時の温度にほぼ一致する。
【００３２】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように、ＮＯｘの発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させることは排気ガスの浄化に極めて有効である。
【００３３】
さて、煤が生成される前の状態で炭化水素の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料及びその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃料周りにおけるガスの吸熱作用が極めて大きく影響することが判明している。
【００３４】
即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼する。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、この時には燃料から離れている空気は燃料の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
【００３５】
一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制するには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【００３６】
この場合、燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ２やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００３７】
図９は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えた時のＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図９において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０°Ｃに維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００３８】
図９の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図９の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【００３９】
また、図９の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図９は機関負荷が比較的高い時のスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【００４０】
図１０は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及びこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図１０において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われない時に燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００４１】
図１０を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図１０に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図１０においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられた時に燃料及びその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ５５パーセント以上であり、図１０に示す実施例では７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入された全吸入ガス量を図１０において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図１０に示すような割合にすると燃料及びその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、この時のＮＯｘ発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯｘの発生量は極めて少量となる。
【００４２】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図１０に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【００４３】
一方、図１０の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガス及び吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従って、この場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００４４】
前述したように図１０は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図１０に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下にすることができ、また図１０に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下にすることができる。
【００４５】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、この時ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンの時、或いは空燃比が理論空燃比の時でも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００４６】
このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこの時平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００４７】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低い時に限られる。従って本発明による実施例では機関負荷が比較的低い時には燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第一燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関負荷が比較的高い時には第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第一燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【００４８】
図１１は第一燃焼、即ち低温燃焼が行われる第一の運転領域Ｉと、第二燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第二の燃焼領域ＩＩとを示している。なお、図１１において縦軸Ｌはアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図１１においてＸ（Ｎ）は第一の運転領域Ｉと第二の運転領域ＩＩとの第一の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第一の運転領域Ｉと第二の運転領域ＩＩとの第二の境界を示している。第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第一の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第二の運転領域ＩＩから第一の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第二の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４９】
即ち、機関の運転状態が第一の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われている時に要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第一の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第二の運転領域ＩＩに移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第二の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第一の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００５０】
図１２は空燃比センサ２１の出力を示している。図１２に示されるように空燃比センサ２１の出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。次に図１３を参照しつつ第一の運転領域Ｉ及び第二の運転領域ＩＩにおける運転制御について概略的に説明する。
【００５１】
図１３は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期及び噴射量を示している。図１３に示されるように要求負荷Ｌの低い第一の運転領域Ｉではスロットル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図１３に示される例では第一の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【００５２】
言い換えると第一の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、この時空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第一の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００５３】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、この時ＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５４】
一方、機関の運転領域が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁１６の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめられる。この時図１３に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図９）を飛び越えるので機関の運転領域が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩに変わる時に多量のスモークが発生することがない。
【００５５】
第二の運転領域ＩＩでは従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では煤及びＮＯｘが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機関の運転領域が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域ＩＩに変わると図１３に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。
【００５６】
第二の運転領域ＩＩではスロットル弁１６は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。この運転領域ＩＩではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第二の運転領域ＩＩでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００５７】
図１４は第一の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１４において、Ａ／Ｆ＝１５．５、Ａ／Ｆ＝１６、Ａ／Ｆ＝１７、Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々空燃比が１５．５、１６、１７、１８である時を示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１４に示されるように第一の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第一の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５８】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図１４に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本実施例では要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５９】
なお、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１５（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１５（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６０】
図１６は第二燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われる時の目標空燃比を示している。なお、図１６においてＡ／Ｆ＝２４、Ａ／Ｆ＝３５、Ａ／Ｆ＝４５、Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫々目標空燃比２４、３５、４５、６０を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１７（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１７（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６１】
こうして、本実施例のディーゼルエンジンでは、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、第一燃焼、すなわち、低温燃焼と、第二燃焼、すなわち、普通の燃焼とが切り換えられ、各燃焼において、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、図１５又は図１７に示すマップによってスロットル弁１６及びＥＧＲ弁の開度制御が実施される。
【００６２】
図１８は本実施例の排気浄化装置を示す平面図であり、図１９はその側面図である。本排気浄化装置は、排気マニホルド１７の下流側に排気管１８を介して接続された切換部７１と、パティキュレートフィルタ７０と、パティキュレートフィルタ７０の一方側と切換部７１とを接続する第一接続部７２ａと、パティキュレートフィルタ７０の他方側と切換部７１とを接続する第二接続部７２ｂと、切換部７１の下流側の排気通路７３とを具備している。切換部７１は、切換部７１内で排気流れを遮断することを可能とする弁体７１ａを具備している。弁体７１は、負圧アクチュエータ又はステップモータ等によって駆動される。弁体７１ａの第一遮断位置において、切換部７１内の上流側が第一接続部７２ａと連通されると共に切換部７１内の下流側が第二接続部７２ｂと連通され、排気ガスは、図１８に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０の一方側から他方側へ流れる。
【００６３】
また、図２０は、弁体７１ａの第二遮断位置を示している。この遮断位置において、切換部７１内の上流側が第二接続部７２ｂと連通されると共に切換部７１内の下流側が第一接続部７２ａと連通され、排気ガスは、図２０に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタ７０へ流入する排気ガスの方向を逆転することができ、すなわち、パティキュレートフィルタ７０の排気上流側と排気下流側とを逆転することが可能となる。
【００６４】
このように、本排気浄化装置は、非常に簡単な構成によってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転することを可能とする。また、パティキュレートフィルタにおいては、排気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積が必要とされるが、本排気浄化装置では、図１８及び１９に示すように、車両搭載性を悪化させることなく、大きな開口面積を有するパティキュレートフィルタを使用可能である。
【００６５】
この一方で、本排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するために、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ回動させる間において、図２１に示すように、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過せずに大気中へ放出されてしまう。
【００６６】
図２２にパティキュレートフィルタ７０の構造を示す。なお、図２２において、（Ａ）はパティキュレートフィルタ７０の正面図であり、（Ｂ）は側面断面図である。これらの図に示すように、本パティキュレートフィルタ７０は、長円正面形状を有し、例えば、コージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム構造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線方向に延在する隔壁５４によって細分された多数の軸線方向空間を有している。隣接する二つの軸線方向空間において、栓５３によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路５０となり、他方は流出通路５１となり、排気ガスは、図２２（Ｂ）に矢印で示すように、必ず隔壁５４を通過する。排気ガス中のパティキュレートは、隔壁５４の細孔の大きさに比較して非常に小さいものであるが、隔壁５４の排気上流側表面上及び隔壁５４内の細孔表面上に衝突して捕集される。こうして、各隔壁５４は、パティキュレートを捕集する捕集壁として機能する。本パティキュレートフィルタ７０において、捕集されたパティキュレートを酸化除去するために、隔壁５４の両側表面上、及び、好ましくは隔壁５４内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。
【００６７】
活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。
【００６８】
貴金属触媒としては、通常、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のような希土類、及び遷移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００６９】
なお、この場合、活性酸素放出剤としては、カルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
【００７０】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタによって、捕集されたパティキュレートがどのように酸化除去されるかについて、白金Ｐｔ及びカリウムＫの場合を例にとって説明する。他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様なパティキュレート除去作用が行われる。
【００７１】
ディーゼルエンジンでは通常空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路及び燃焼室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、この空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室内で酸素と反応してＳＯ２となる。従って排気ガス中にはＳＯ２が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯ及びＳＯ２を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ７０の排気上流側へ流入することになる。
【００７２】
図２３（Ａ）及び（Ｂ）はパティキュレートフィルタ７０における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表している。なお、図２３（Ａ）及び（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００７３】
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の排ガス接触面内に接触すると、図２３（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（２ＮＯ＋Ｏ２→２ＮＯ２）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図２３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ −の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ３を生成する。このようにして、本実施例では、排気ガスに含まれる有害なＮＯｘをパティキュレートフィルタ７０に吸収し、大気中への放出量を大幅に減少させることができる。
【００７４】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ２も含まれており、このＳＯ２もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面でＯ２ −又はＯ２−と反応してＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ＳＯ４を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ３及び硫酸カリウムＫ２ＳＯ４が生成される。
【００７５】
排気ガス中のパティキュレートは、図２３（Ｂ）において６２で示されるように、パティキュレートフィルタに担持された活性酸素放出剤６１の表面上に付着する。この時、パティキュレート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内の酸素がパティキュレート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がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００７６】
一方、この時、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がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ２が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。但し、硫酸カリウムＫ２ＳＯ４は、安定化しているために、硝酸カリウムＫＮＯ３に比べて活性酸素を放出し難い。
【００７７】
一方、パティキュレート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。従ってパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏがパティキュレート６２に接触するとパティキュレート６２は輝炎を発することなく酸化せしめられる。また、パティキュレート６２を酸化する活性酸素Ｏは、活性酸素放出剤６１へＮＯ及びＳＯ２が吸収される時にも放出される。
【００７８】
ところで白金Ｐｔ及び活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易くなる。従ってパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを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の温度が高くなるほど増大する。
【００７９】
図２４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２４において横軸はパティキュレートフィルタの温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃焼室から排出されるパティキュレート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量Ｇよりも少ない時、即ち図２４の領域Ｉでは燃焼室から排出された全てのパティキュレートがパティキュレートフィルタに捕集されると短時間のうちにパティキュレートフィルタにおいて輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。ここで、短時間とは、酸化除去され易いパティキュレートでは数秒であるが、酸化除去され難いパティキュレートでは数十分となることもある。
【００８０】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い時、即ち図２４の領域ＩＩでは全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している。図２５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合におけるパティキュレートの酸化の様子を示している。
【００８１】
即ち、全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している場合には図２５（Ａ）に示すようにパティキュレート６２が活性酸素放出剤６１上に付着するとパティキュレート６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分がパティキュレートフィルタの排気上流側面上に残留する。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パティキュレート部分が排気上流面上に残留し、その結果図２５（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタの排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われるようになる。
【００８２】
このような残留パティキュレート部分６３は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ２の酸化作用及び活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が抑制される。それにより、時間を掛ければ徐々に残留パティキュレート部分６３を酸化させることができるが、図２５（Ｃ）に示されるように残留パティキュレート部分６３の上に別のパティキュレート６４が次から次へと堆積して、即ち、パティキュレートが積層状に堆積すると、これらパティキュレートは、白金Ｐｔや活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキュレートであっても活性酸素によって酸化されることはない。従ってこのパティキュレート６４上に更に別のパティキュレートが次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【００８３】
このように図２４の領域Ｉではパティキュレートはパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図２４の領域ＩＩではパティキュレートがパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する。従って、排出微粒子量Ｍと酸化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉにすれば、パティキュレートフィルタ上へのパティキュレートの堆積を防止することができる。しかしながら、これが常に実現されるとは限らず、何もしなければパティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することがある。
【００８４】
本実施例では、前述の電子制御ユニット３０により図２６に示す第一フローチャートに従って弁体７１ａの切換制御を実施し、パティキュレートフィルタへの多量なパティキュレートの堆積を防止している。本フローチャートは短時間で繰り返される。先ず、ステップ１０１において、弁体７１ａを切り換えるための設定時期となったか否かが判断される。この設定時期は、所定時間毎又は所定走行距離毎に設定される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時にはステップ１０２に進み、現在の機関燃焼室からのパティキュレート排出量、すなわち、排出微粒子量Ｍが設定量Ｍ１以上であるか否かが判断される。この排出微粒子量の把握には、機関負荷及び機関回転数等によって定まる機関運転状態に基づき予めマップ化しておいても良いし、排気ガス中のパティキュレート量を光学的に検出する微粒子センサ等を用いても良い。マップ化には、本実施例のディーゼルエンジンの場合、低温燃焼が実施されるか、普通燃焼が実施されるかも考慮される。
【００８５】
ステップ１０２における判断が否定される時、例えば、機関減速時、アイドル時、機関低負荷時、又は、低温燃焼時等では、排気ガス中に含まれるパティキュレート量はそれほど多くなく、ステップ１０３において弁体７１ａの切り換えを実行する。すなわち、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転される。一方、ステップ１０２における判断が肯定される時には、排気ガス中に含まれるパティキュレート量は比較的多く、ステップ１０４において弁体７１ａの切り換えを中止し、ステップ１０２における判断が否定された時に始めて弁体７１ａを切り換える。
【００８６】
図２７は、パティキュレートフィルタの隔壁５４の拡大断面図である。車両が所定時間又は所定走行距離を走行する間には、図２４の領域ＩＩでの運転が実施されることもあり、図２７（Ａ）に格子で示すように、排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面は、一方の捕集面としてパティキュレートを衝突捕集し、活性酸素放出剤により酸化除去するが、この酸化除去が不十分となってパティキュレートが残留することがある。この時点では、パティキュレートフィルタの排気抵抗は車両走行に悪影響を与えるほどではないが、さらにパティキュレートが堆積すれば、機関出力の大幅な低下等の問題を発生する。第一フローチャートでは、この時点において、排気ガス中に含まれるパティキュレート量がそれほど多くない時には、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転される。それにより、隔壁５４の一方の捕集面に残留するパティキュレート上には、さらにパティキュレートが堆積することはなく、一方の捕集面から放出される活性酸素によって残留パティキュレートは徐々に酸化除去される。また、残留パティキュレートは、逆方向の排気ガス流によって、図２７（Ｂ）に示すように、容易に破壊されて細分化され、細孔内を主に下流側へ流動する。
【００８７】
それにより、細分化された多くのパティキュレートは、隔壁の細孔内に分散し、隔壁の細孔内表面に担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除去される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも活性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレートを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔壁５４の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面（一方の捕集面とは反対側の関係となる）では、排気ガス中の新たなパティキュレートが付着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素やＮＯｘ及びＳＯｘを吸収する際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素によって酸化除去される。これらの酸化除去の際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残留するパティキュレートを酸化除去する。
【００８８】
すなわち、隔壁における一方の捕集面の残留パティキュレートには、この捕集面から放出される活性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された残りの活性酸素が排気ガスと共に到来する。それにより、弁体の切り換え時点において、隔壁の一方の捕集面にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたとしても、排気ガスを逆流させれば、残留パティキュレート上に堆積するパティキュレートへも活性酸素が到来することに加えて、さらにパティキュレートが堆積することはないために、堆積パティキュレートは徐々に酸化除去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、この間で十分に酸化除去可能である。
【００８９】
第一フローチャートにおいて、弁体の切り換えは、所定時間毎又は所定走行距離毎に行うようになっており、パティキュレートフィルタ上の残留パティキュレートが酸化され難いカーボン質に変質する以前に弁体が切り換えられる。また、多量のパティキュレートが堆積する以前にパティキュレートを酸化除去することは、多量の堆積パティキュレートが一度に着火燃焼して多量の燃焼熱によりパティキュレートフィルタが溶損する等の問題を防止することにもなる。また、何らかの要因によって、弁体の切り換え時点でパティキュレートフィルタ隔壁の一方の捕集面に多量のパティキュレートが堆積してしまったとしても、弁体が切り換えられれば、堆積パティキュレートは逆方向の排気ガス流によって比較的容易に破壊及び細分化されるために、隔壁の細孔内で酸化除去できなかった一部の細分化パティキュレートはパティキュレートフィルタから排出されることとなるが、パティキュレートフィルタの排気抵抗がさらに高まって車両走行に悪影響を与えることはなく、また、パティキュレートフィルタ隔壁の他方の捕集面によって新たなパティキュレートの捕集が可能となる。
【００９０】
本排気浄化装置は、前述したように、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換える間において、排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることとなるが、本フローチャートによれば、この時に排気ガス中にはパティキュレートが含まれていないか又は含まれていたとしてもパティキュレート量はそれほど多くないために、弁体７１ａを切り換える短い時間だけ排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスしても、大気中へは殆どパティキュレートが放出されることはない。
【００９１】
また、パティキュレートフィルタ上に残留及び堆積するパティキュレート量に応じてパティキュレートフィルタ７０の排気上流側と排気下流側との差圧が上昇することを利用し、この差圧が設定差圧以上となった時を、パティキュレートフィルタ上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるための設定時期としても良い。具体的には、パティキュレートフィルタ７０の一方側の排気圧力、すなわち、第一接続部７２ａ（図１８参照）内の排気圧力を、第一接続部７２ａに配置された圧力センサによって検出すると共に、パティキュレートフィルタの他方側の排気圧力、すなわち、第二接続部７２ｂ（図１８参照）内の排気圧力を、第二接続部７２ｂに配置された圧力センサによって検出し、これらの排気圧力の差圧の絶対値が、設定圧力差以上となったか否かを判断する。ここで、差圧の絶対値を使用するのは、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂのいずれが排気上流側となっていても差圧の上昇を把握可能とするためである。
【００９２】
また、この差圧以外にも、例えば、パティキュレートフィルタの所定隔壁上における電気抵抗値の変化を監視して、パティキュレートの堆積によって電気抵抗値が設定値以下となった時を、パティキュレートフィルタ上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるための設定時期としても良い。また、パティキュレートフィルタの所定隔壁において、パティキュレートの堆積により、光の透過率が低下すること、又は、光の反射率が低下することを利用して、弁体を切り換えるための設定時期を設定しても良い。このように、パティキュレートの堆積を直接的に判断して弁体を切り換えるための設定時期を設定することにより、さらに確実に機関出力の大幅な低下を防止することができる。
【００９３】
図２８は、第一フローチャートに代えて、パティキュレートフィルタ上に多量のパティキュレートが堆積することを防止するための第二フローチャートである。第一フローチャートとの違いについてのみ以下に説明する。本フローチャートでは、ステップ２０２において、排出微粒子量Ｍが設定量Ｍ１以上であると判断された時には、ステップ２０３において、機関状態を変化させて排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくし、その後に、ステップ２０４において、弁体の切り換えを実行するようになっている。こうして、第一フローチャートと同様に、大気中へ殆どパティキュレートを放出することなく、排気ガスの逆流によってパティキュレートフィルタ上に多量のパティキュレートが堆積することを防止している。
【００９４】
第二フローチャートにおいて、機関状態を変化させて排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくするためには、燃焼室内で噴射燃料と空気とが十分に混合すればするほど、即ち、噴射燃料周りの空気量が多くなればなるほど噴射燃料は良好に燃焼せしめられるので微粒子発生量が少なくなることを利用することができる。例えば燃料噴射量を低下させると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、噴射時期を進角すると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、コモンレール２６内の燃料圧、即ち噴射圧を高めると噴射燃料が分散するので噴射燃料と空気との混合が良好となり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、主燃料の噴射直前の圧縮行程末期に補助燃料を噴射するようにしている場合、いわゆるパイロット噴射を行っている場合には補助燃料の燃焼により酸素が消費されるために主燃料周りの空気が不十分となる。従ってこの場合にはパイロット噴射を停止することによって排出微粒子量Ｍが低減する。すなわち、燃料噴射量が低下せしめられるか、又は燃料噴射時期が進角されるか、又は噴射圧が高められるか、又はパイロット噴射が停止されることによって機関状態を変化させ、排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくすることができる。
【００９５】
また、ＥＧＲ率が低下すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。それにより、ＥＧＲ制御弁２３の開度が低下させてＥＧＲ率を低下させることによって機関状態を変化させ、排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくすることができる。また、吸入空気を過給するための過給器が設けられている場合には、過給圧が増大すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。それにより、過給器としてターボチャージャが設けられている場合には、過給圧を増大するためにウェストゲートバルブの開度を減少させることによって機関状態を変化させ、排出微粒子量Ｍを設定量Ｍ１より少なくすることができる。
【００９６】
また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、即ち排気ガス中の酸素濃度を低下させると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積したパティキュレートを輝炎を発することなく容易に酸化除去することができる。すなわち、堆積パティキュレートは、放出された活性酸素Ｏによって酸化され易いものとなることに加えて、貴金属触媒の酸素被毒がリッチガス中の還元成分によって回復され、その活性が向上するために活性酸素放出剤が活性酸素を放出し易くなり、堆積パティキュレートの酸化除去を容易にする。こうして、弁体７１ａによってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換えた直後に排気ガスの空燃比をリッチにすれば、パティキュレートが残留していないパティキュレートフィルタ隔壁の他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性酸素を放出し易いために、さらに多量に放出される活性酸素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートを、さらに確実に酸化除去することが可能となる。もちろん、弁体７１ａの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比をリッチにしても良く、それにより、パティキュレートフィルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【００９７】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施しても良く、機関燃料噴射弁によって排気行程において燃料噴射を実施しても良く、又は、パティキュレートフィルタの上流側において機関排気系に燃料を噴射しても良い。第二フローチャートでは、弁体を切り換えるための設定時期において、排出微粒子量Ｍが設定量Ｍ１以上である場合にだけ、排出微粒子量を抑制するようにしたが、もちろん、設定時期においては、弁体の切り換えによって排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスすることとなるために、常に排出微粒子量を抑制するようにしても良い。
【００９８】
図２９は、第一フローチャート又は第二フローチャートと並行して実施される第三フローチャートである。本フローチャートでは、先ず、ステップ３０１において、パティキュレートフィルタ７０の排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段が故障しているか否かが判断される。具体的には、弁体７１が、固着によって、又は、負圧アクチュエータ又はステップモータ等の駆動装置の異常によって、第一遮断位置、第二遮断位置、又は、これらの遮断位置の間である中間位置で動かなくなっているかどうかが判断される。この判断には、弁体７１に電気抵抗式等の位置センサを取り付けて、意図する弁体位置と実際の弁体位置との違いを検出すれば良い。
【００９９】
また、前述したように、パティキュレートフィルタ上に残留及び堆積するパティキュレート量を判断するために、第一接続部７２ａと第二接続部７２ｂとにそれぞれ圧力センサが設けられている場合には、意図する弁体位置に対して、二つの圧力センサの出力を検出すれば良い。パティキュレートフィルタ７０は、全くパティキュレートを捕集していなくても、多少なりとも排気抵抗となるために、排気上流側の圧力が排気下流側の圧力より高くなるはずである。それにより、意図する弁体位置に対して、この圧力の関係が逆になっていれば、意図するように弁体７１ａが動いていないこととなる。また、中間位置で弁体７１ａが動かなくなっていると、排気ガスはパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることとなり、二つの圧力センサの出力は、パティキュレートフィルタ７０に全くパティキュレートが捕集されていない時よりも、さらに近い値となる。また、駆動装置の断線等が検出されれば、もちろん、弁体７１ａを意図するように動かすことはできず、逆転手段の故障となる。
【０１００】
ステップ３０１における判断が否定される時にはそのまま終了するが、前述のようにして逆転手段が故障していると判断された時には、ステップ３０２に進んで普通燃焼を実施するようにし、ステップ３０３において運転領域に係らずに低温燃焼への切り換えを禁止する。
【０１０１】
前述したように、普通燃焼は煤の発生量が最大となる最悪排気ガス量より少ない排気ガスを気筒内へ再循環して実施する燃焼であり、また、低温燃焼は最悪排気ガス量より多い排気ガスを気筒内へ再循環して実施する燃焼であるために、これら二つの燃焼を切り換えるために、再循環排気ガス量を増加させる場合も減少させる場合も、最悪排気ガス量が気筒内へ再循環されることがあり、この時には、非常に多量のパティキュレートが気筒内から排出されることとなる。
【０１０２】
弁体７１ａが中間位置で動かなくなっていて排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスしている場合に、もし、運転領域の変化に応じて頻繁に低温燃焼と普通燃焼とが切り換えられれば、その度に、非常に多量のパティキュレートが大気中へ放出されてしまう。また、弁体７１ａがいずれかの遮断位置で動かなくなっている場合に、運転領域の変化に応じて頻繁に低温燃焼と普通燃焼とが切り換えられて、その度に、非常に多量のパティキュレートがパティキュレートフィルタへ捕集されると、この時には、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転ができないために、前述のように良好にパティキュレートを酸化除去することができず、パティキュレートフィルタの排気抵抗が直ぐに車両走行に影響を与えるようになってしまう。
【０１０３】
しかしながら、本フローチャートによれば、逆転手段の故障発生後は、低温燃焼を禁止して、常に普通燃焼を実施するようになっており、運転切り換えに伴って気筒内から多量のパティキュレートが排出されることなく、多量のパティキュレートが大気中へ放出されたり、パティキュレートフィルタの排気抵抗が直ぐに運転に影響するほど増大することなく、逆転手段の修理のために、問題なく修理工場へ車両を乗り入れることが可能である。
【０１０４】
本フローチャートにおいて、逆転手段の故障発生後は、常に普通燃焼を実施するようにしたが、これは、普通燃焼が全ての運転領域で実施可能であるためである。しかしながら、逆転手段の故障時において、低温燃焼が実施されている場合には、普通燃焼への切り換え時に一度だけ多量のパティキュレートが気筒内から排出されることとなるために、この場合には、普通燃焼へ切り換えることなく低温燃焼を常に実施するようにしても良い。この場合には、運転領域を前述の第一運転領域に制限する必要があるが、修理工場までのそれほど長くない期間であるために、特に問題とはならない。
【０１０５】
また、普通燃焼又は低温燃焼のいずれかに制限することなく、普通燃焼及び低温燃焼の運転領域の一方を拡大する等して、運転切り換えの頻度を低減すること、すなわち、運転切り換えを抑制することでも、逆転手段の故障発生後における気筒内からの排出微粒子量を抑制することができ、前述の問題を比較的良好に改善することが可能である。
【０１０６】
このように、逆転手段の正常時において、弁体を切り換える際に排出微粒子量を抑制することが効果的である（第二フローチャート）と共に、逆転手段の故障発生後にも排出微粒子量を抑制することは効果的である。もちろん、逆転手段の故障発生後に、第二フローチャートで説明したと同様に、運転状態を変化させて排出微粒子量を抑制しても良く、また、逆転手段の正常時において弁体を切り換える際に、普通燃焼及び低温燃焼の切り換えを禁止して排出微粒子量を抑制するようにしても良い。
【０１０７】
ところで、排気ガス中のカルシウムＣａはＳＯ３が存在すると、前述したアッシュのような硫酸カルシウムＣａＳＯ４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４によるパティキュレートフィルタの目詰まりを防止するためには、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ３はカリウムＫと結合して硫酸カリウム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の隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィルタがアッシュによって目詰まりすることがなくなる。こうして、前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【０１０８】
また、活性酸素放出剤としてパティキュレートフィルタに白金Ｐｔのような貴金属のみを担持させても、白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ２又はＳＯ３から活性酸素を放出させることができる。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図２４に示す実線に比べて若干右側に移動する。また、活性酸素放出剤としてセリアを用いることも可能である。セリアは、排気ガス中の酸素濃度が高いと酸素を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると活性酸素を放出するものであるために、パティキュレートの酸化除去のために、排気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必要がある。セリアに代えて鉄又は錫を活性酸素放出剤として使用することも可能である。また、活性酸素放出剤として排気ガス中のＮＯｘ浄化に使用されるＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いることも可能である。この場合においては、吸蔵したＮＯｘを放出させるために排気ガスの空燃比を少なくとも一時的にリッチにする必要があり、このリッチ化制御をパティキュレートフィルタの上流側と下流側との逆転後に実施することが好ましい。
【０１０９】
本実施例のディーゼルエンジンは、低温燃焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、もちろん、通常燃焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパティキュレートを排出するガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。
【０１１０】
パティキュレートを排出するガソリンエンジンとして、例えば、筒内噴射式火花点火内燃機関が考えられる。この筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備して圧縮行程後半で燃料を噴射するものである。こうして噴射された燃料は、ピストン頂面に形成されたキャビティを利用する等して、気化して点火プラグ近傍に向かい、点火プラグ近傍に着火性の良好な可燃混合気を形成する。この可燃混合気を着火燃焼させることにより、気筒内全体としてはリーンな混合気が燃焼可能となる。このような燃焼方式は、成層燃焼と称され、燃料消費率を低減することを可能とする。
【０１１１】
しかしながら、成層燃焼を常に実施することは困難である。圧縮行程後半の限られた時間内で噴射可能な燃料量はそれほど多くはなく、機関高負荷時のように多量の燃料が必要な場合には、一般的に、成層燃焼を断念して、吸気行程で燃料を噴射することにより、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を実施するようになっている。
【０１１２】
この均質燃焼時には、気筒内でパティキュレートは殆ど生成されないが、成層燃焼は、若干燃焼状態が悪く、ディーゼルエンジンほどではないがパティキュレートが生成されることとなる。それにより、排気系に前述のようにしてパティキュレートフィルタを配置することが望ましい。
【０１１３】
このような筒内噴射式火花点火内燃機関の場合には、前述の第三フローチャートにおいて、逆転手段の故障発生後は、成層燃焼を禁止して、均質燃焼でのみ運転することにより、気筒内からパティキュレートが排出されることはなく、大気中へのパティキュレート放出の問題及びパティキュレートフィルタの早期目詰まりの問題を防止することができる。均質燃焼は、全ての運転領域で実施可能であり、運転上も問題ない。また、均質燃焼の運転領域を拡大して、成層燃焼の実施頻度を減少させることでも、比較的良好に前述の問題を改善することができる。
【０１１４】
また、逆転手段の正常時において弁体を切り換える際には、成層燃焼を禁止して均質燃焼を実施することにより、大気中へパティキュレートが放出されることを防止することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
このように、本発明による内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において逆転手段によりパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、逆転手段は、弁体を具備し、弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部がパティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、設定時期における機関燃焼室からのパティキュレート排出量が多い時には、逆転手段によるパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転を中止するようになっている。それにより、運転状態によっては、パティキュレートの酸化が不十分となってパティキュレートフィルタ捕集壁の第一捕集面にはある程度パティキュレートが残留することがあるが、設定時期において逆転手段によりパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転することによって、捕集壁の第一捕集面には新たにパティキュレートが堆積することはなく、堆積パティキュレートを徐々に酸化除去可能である。同時に、捕集壁の第二捕集面によってパティキュレートの捕集及び酸化除去が開始される。こうして、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転によって第一捕集面と第二捕集面とを交互に使用してパティキュレートが捕集されるために、各捕集面で捕集するパティキュレート量は単一の捕集面で捕集する場合に比較して低減され、パティキュレートフィルタにパティキュレートが堆積し難くなってパティキュレートの酸化除去が容易となり、パティキュレートフィルタの目詰まりを防止することができる。また、設定時期にパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させるために弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換えられると、一部の排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスすることとなるが、設定時期における機関燃焼室からのパティキュレート排出量が多い時には、この逆転が中止されるために、バイパス排気ガスと共に多量のパティキュレートが大気中へ放出されることはない。
【０１１６】
また、本発明によるもう一つの内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において逆転手段によりパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、逆転手段は、弁体を具備し、弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部がパティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制するようになっている。それにより、前述の排気浄化装置と同様に、設定時期におけるパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転によって、パティキュレートフィルタの目詰まりを防止することができる。また、逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制するようになっており、逆転手段の故障によって弁体が二つの位置の間で動かなくなっても、バイパス排気ガスと共に多量のパティキュレートが大気中へ放出されることはなく、また、逆転手段の故障によって弁体が二つの位置の一方で動かなくなっても、パティキュレートフィルタが早期に目詰まりすることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置を備えるディーゼルエンジンの概略縦断面図である。
【図２】図１の燃焼室の拡大縦断面図である。
【図３】図１のシリンダヘッドの底面図である。
【図４】燃焼室の側面断面図である。
【図５】吸排気弁のリフトと燃料噴射を示す図である。
【図６】スモーク及びＮＯｘの発生量等を示す図である。
【図７】燃焼圧を示す図である。
【図８】燃料分子を示す図である。
【図９】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図１０】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図１１】第一の運転領域Ｉ及び第二の運転領域ＩＩを示す図である。
【図１２】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１４】第一の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１５】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１６】第二の燃焼における空燃比を示す図である。
【図１７】スロットル弁等の目標開度を示す図である。
【図１８】機関排気系における切換部及びパティキュレートフィルタ近傍の平面図である。
【図１９】図１８の側面図である。
【図２０】切換部内の弁体の図１８とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図２１】切換部内の弁体の中間位置を示す図である。
【図２２】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図２３】パティキュレートの酸化作用を説明するための図である。
【図２４】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２５】パティキュレートの堆積作用を説明するための図である。
【図２６】パティキュレートフィルタへの多量のパティキュレートの堆積を防止するための第一フローチャートである。
【図２７】パティキュレートフィルタの融壁の拡大断面図である。
【図２８】パティキュレートフィルタへの多量のパティキュレートの堆積を防止するための第二フローチャートである。
【図２９】逆転手段の故障時における運転切り換え制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
７０…パティキュレートフィルタ
７１…切換部
７１ａ…弁体
Claims (11)
- 機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期における機関燃焼室からのパティキュレート排出量が多い時には、前記逆転手段による前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転を中止することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、機関燃料噴射量又は機関燃料噴射時期又は機関燃料噴射圧又は機関補助燃料噴射を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、機関吸入空気を過給するための過給手段によって過給圧を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置によって再循環排気ガス量を制御することによって機関状態を変化させ、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気系に配置されて捕集したパティキュレートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は、第一捕集面と第二捕集面とを有し、設定時期において前記逆転手段により前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用される内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることによって、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が一方の位置から他方の位置へ切り換わる間において、少なくとも排気ガスの一部が前記パティキュレートフィルタをバイパスするようになっており、前記設定時期又は前記逆転手段の故障発生後には、機関燃焼室からのパティキュレート排出量を抑制し、前記内燃機関は、気筒内へ不活性ガスを供給するための不活性ガス供給手段を有して、煤の発生量を最大とする最悪不活性ガス量より多量の前記不活性ガスを気筒内へ供給する低温燃焼と、前記最悪不活性ガス量より少量の前記不活性ガスを気筒内へ供給する普通燃焼とを切り換えて実施するものであり、前記低温燃焼及び前記普通燃焼への切り換えを抑制又は禁止することにより、前記パティキュレート排出量を抑制することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記設定時期は、所定時間毎又は所定走行距離毎に設定されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記設定時期は、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との差圧が設定差圧以上となった時に設定されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記設定時期は、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量が設定堆積量値以上となった時に設定されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記捕集壁には活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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