JP3632633B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - 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NOが含まれており、このNOを浄化するために、機関排気系にNO吸蔵還元触媒装置を配置することが提案されている。NO吸蔵還元触媒は、近傍雰囲気の酸素濃度が高い時にNOを硝酸塩の形で吸収し、近傍雰囲気の酸素濃度が低くなると吸収したNOを放出して還元浄化するものである。それにより、NO吸蔵還元触媒は、空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼルエンジンの排気ガス中からNOを良好に吸収し、定期的に近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、NOを放出させてHC等の還元物質により還元浄化し、NOを大気中に放出させることなく良好に浄化することができる。
【0003】
ところで、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も含まれている。このパティキュレートも大気放出以前に処理する必要があり、機関排気系にパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを配置することが提案されている。このようなパティキュレートフィルタに前述のNO吸蔵還元触媒を担持させると、NOを吸蔵するだけでなくパティキュレートを良好に酸化除去することができる。こうして、パティキュレートフィルタにNO吸蔵還元触媒を担持させたものをディーゼルエンジンの機関排気系に配置することは、非常に効果的とされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パティキュレートフィルタの構造は、一般的に、捕集壁の細孔を排気ガスが通過するウォールフロー型であり、触媒を担持する隔壁に沿って排気ガスが流れる一般的な触媒装置に比較して、主に排気ガスが接触する捕集壁表面の触媒担持面積が少なく、このようなパティキュレートフィルタでは、排気ガス中のNOを十分に浄化することができない。
【0005】
従って、本発明の目的は、NO吸蔵還元触媒を担持したパティキュレートフィルタを具備する内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス中のNOを十分に浄化可能とすることである。
【0006】
【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、近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にNOXを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にNOXを放出して還元浄化するNOX吸蔵還元触媒をパティキュレート捕集壁に担持して機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタと、酸化機能を有して前記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配置されたNOX浄化触媒装置とを具備し、前記NO X 浄化触媒装置は、近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にNO X を吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にNO X を放出して還元浄化するNO X 吸蔵還元触媒を担持し、前記パティキュレートフィルタ内を理論空燃比又はリッチ空燃比とする制御手段が設けられ、前記制御手段によって前記パティキュレートフィルタ内を理論空燃比又はリッチ空燃比とすることにより前記パティキュレートフィルタの前記NO X 吸蔵還元触媒からNO X を放出させて還元浄化すると共に活性酸素を放出させて前記パティキュレート捕集壁に捕集されたパティキュレートを酸化除去することを特徴とする。
【0007】
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、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記NO浄化触媒装置の下流側で排気ガスが前記パティキュレートフィルタをバイパスすることを可能とするバイパス手段を具備することを特徴とする。
【0008】
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、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記NO浄化触媒装置は、前記NO吸蔵還元触媒を担持し、前記NO浄化触媒装置のSO被毒回復中には、前記バイパス手段を機能させて排気ガス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することを特徴とする。
【0009】
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、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記NO浄化触媒装置は、前記NO吸蔵還元触媒を担持し、前記NO浄化触媒装置のSO被毒回復完了直後には、前記バイパス手段を機能させず排気ガスが前記パティキュレートフィルタを通過するようにすることを特徴とする。
【0010】
【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を介して排気管18へ接続される。
【0011】
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回りには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。
【0012】
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。
【0013】
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、燃料ポンプ27、及び、排気管18に配置された切換弁71aを作動する。切換弁71aに関しては後述する。
【0014】
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のうちで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。
【0015】
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との間に向かう。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で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との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に燃料噴霧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。
【0016】
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)を変化させたときの出力トルクの変化、及びスモーク、HC、CO、NO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)以下のときにはEGR率は65パーセント以上となっている。
【0017】
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。この時に機関の出力トルクは若干低下し、またNOの発生量がかなり低くなる。一方、この時にHC及びCOの発生量は増大し始める。
【0018】
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。
【0019】
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、まず第1に空燃比A/Fが15.0以下でスモークの発生量がほぼ零の時には図6に示されるようにNOの発生量がかなり低下する。NO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、従ってこの時に燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0020】
第2にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図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。
【0021】
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、この時には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。
【0022】
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NO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NO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、NOの発生量が低下する。この時においてNO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NO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。
【0023】
一旦、煤が生成されるとこの煤は単に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、NO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。
【0024】
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回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。
【0025】
即ち、燃料回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、燃料回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。
【0026】
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回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。
【0027】
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、CO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。
【0028】
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ときの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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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NO発生量は10p.p.m前後、又はそれ以下であり、従ってNOの発生量は極めて少量となる。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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NO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NO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。
【0036】
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、この時にはNOも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比の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、NOも極めて少量しか発生しない。
【0037】
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、NO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、この時の平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0038】
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するためには、比較的機関負荷が低くて燃焼による発熱量が少ない時の方が好ましい。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ときには第二燃焼、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。
【0039】
図11は第一燃焼、即ち低温燃焼が行われる第1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2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1の運転領域Iと第2の運転領域IIとの第1の境界を示しており、Y(N)は第1の運転領域Iと第2の運転領域IIとの第2の境界を示している。第1の運転領域Iから第2の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第1の境界X(N)に基づいて行われ、第2の運転領域IIから第1の運転領域Iへの運転領域の変化判断は第2の境界Y(N)に基づいて行われる。
【0040】
即ち、機関の運転状態が第1の運転領域Iにあって低温燃焼が行われている時に要求負荷Lが機関回転数Nの関数である第1の境界X(N)を越えると運転領域が第2の運転領域IIに移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Lが機関回転数Nの関数である第2の境界Y(N)よりも低くなると運転領域が第1の運転領域Iに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【0041】
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1の運転領域I及び第2の運転領域IIにおける運転制御について概略的に説明する。
【0042】
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1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1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【0043】
言い換えると第1の運転領域IではEGR率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁16の開度及びEGR制御弁23の開度が制御される。なお、この時の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1の運転領域Iでは圧縮上死点TDC前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θSは要求負荷Lが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θEも噴射開始時期θSが遅くなるにつれて遅くなる。
【0044】
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、この時には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。
【0045】
一方、機関の運転領域が第1の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるとスロットル弁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。この時に図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1の運転領域Iから第2の運転領域IIに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【0046】
第2の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では煤及びNO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1の運転領域Iから第2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。
【0047】
第2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2の運転領域IIでは噴射開始時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
【0048】
図14は第1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1の運転領域Iでは空燃比がリーンとなっており、更に第1の運転領域Iでは要求負荷Lが低くなるほど空燃比A/Fがリーンとされる。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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とき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。
【0052】
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。
【0053】
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71a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。
【0054】
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。また、図21は、第一遮断位置と第二遮断位置との間の弁体71aの開放位置を示している。この開放位置において、切換部71内は遮断されることなく、排気ガスは、図21に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ70をバイパスして流れる。
【0055】
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、各隔壁54の両側表面上、及び、好ましくは各隔壁の細孔表面上にはアルミナ等を使用して以下に説明するNO吸収剤と白金Ptのような貴金属触媒とが担持されている。
【0056】
隔壁20aに担持させたNO吸収剤は、本実施例では、カリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類、および遷移金属から選ばれた少なくとも一つである。このNO吸収剤は、近傍雰囲気中の空燃比(空気と燃料との比であり、ここで、どれだけの燃料が空気中の酸素を使用して燃焼しているかは関係ない)がリーンのときにはNOを吸収し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したNOを放出するNOの吸放出作用を行う。
【0057】
このNO吸収剤は実際にNOの吸放出作用を行うが、この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図23に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについてパティキュレートフィルタ隔壁上に白金PtおよびバリウムBa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、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0058】
低温燃焼及び普通燃焼に係わらず、空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には、排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図23(A)に示されるようにこれら酸素OがO 又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO 又はO2−と反応し、NOとなる(2NO+O→2NO)。次いで生成されたNOの一部は白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら図23(A)に示されるように硝酸イオンNO の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOがNO吸収剤内に吸収される。近傍雰囲気の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNOが生成され、吸収剤のNO吸収能力が飽和しない限り、NOが吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO が生成される。
【0059】
一方、近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると酸素濃度が低下し、その結果白金Ptの表面でのNOの生成量が低下する。NOの生成量が低下すると反応が逆方向(NO →NO)に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO がNOの形で吸収剤から放出される。このときNO吸収剤から放出されたNOは図23(B)に示されるように近傍雰囲気中に含まれるHC及びCO等と反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNOが存在しなくなると吸収剤から次から次へとNOが放出される。従って近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると短時間のうちにNO吸収剤からNOが放出され、しかもこの放出されたNOが還元されるために大気中にNOが排出されることはない。
【0060】
なお、この場合、近傍雰囲気の空燃比を理論空燃比にしてもNO吸収剤からNOが放出される。しかしながら、この場合にはNO吸収剤からNOが徐々にしか放出されないためにパティキュレートフィルタに吸収されている全NOを放出させるには若干長い時間を要する。
【0061】
ところでNO吸収剤のNO吸収能力には限度があり、NO吸収剤のNO吸収能力が飽和する前にNO吸収剤からNOを放出させる必要がある。すなわち、パティキュレートフィルタ70に吸収されているNO量がNO貯蔵可能量に達する以前に、NOを放出させ還元浄化する再生の必要があり、そのためには、このNO量を推定する必要がある。そこで本実施例では低温燃焼が行われているときの単位時間当りのNO吸収量Aを要求負荷L及び機関回転数Nの関数として図24(A)に示すようなマップの形で予め求めておき、普通燃焼が行われているときの単位時間当りのNO吸収量Bを要求負荷L及び機関回転数Nの関数として図24(B)に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのNO吸収量A,Bを積算することによってパティキュレートフィルタに吸収されているNO量を推定するようにしている。ここで、低温燃焼が行われているときの単位時間当たりのNO吸収量Aは、もちろん、低温燃焼がリッチ空燃比で行われる時にはNOは放出されることとなるために、マイナス値となる。本実施例ではこのNO吸収量が予め定められた許容値を越えたときにパティキュレートフィルタを再生するために、理論空燃比又はリッチ空燃比での低温燃焼を実施するか、又は、排気行程で気筒内へ燃料を噴射するなどして、パティキュレートフィルタ70の近傍雰囲気を理論空燃比又リッチ空燃比とし、少なくとも再生が完了するまでの時間(近傍雰囲気の空燃比が小さいほど短くなる)だけこの状態を維持するようになっている。
【0062】
このように、パティキュレートフィルタにNO吸収剤を担持させると、捕集壁に捕集したパティキュレートを良好に酸化除去することができる。このメカニズムを図25を用いて説明する。前述したように、NOは、白金Pt60を介して硝酸イオンNO の形でNO吸収剤61内に吸収されている。このNO吸収剤にパティキュレート62が付着すると、パティキュレート62とNO吸収剤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NO吸収剤61内との間で濃度差が生じ、斯くしてNO吸収剤61内の酸素がパティキュレート62とNO吸収剤61との接触面に向けて移動しようとする。その結果、NO吸収剤61内の硝酸イオンNO は、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NO吸収剤61との接触面に向かい、NOがNO吸収剤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NO吸収剤61内に吸収される。
【0063】
一方、パティキュレート62とNO吸収剤61との接触面に向かう酸素Oは硝酸塩、すなわち、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NO吸収剤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は数分から数十分の短時間で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、NO吸収剤61へNOが吸収されている時にも放出される。すなわち、NOは酸素原子との結合及び分離を繰り返しつつNO吸収剤61内において硝酸イオンNO の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。パティキュレート62はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、パティキュレートフィルタ70上に付着したパティキュレートは、このように活性酸素Oによって酸化せしめられるだけでなく、これらパティキュレート62は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【0064】
このように、パティキュレートフィルタにNO吸収剤及び貴金属触媒(以下、NO吸蔵還元触媒と称する)を担持させることは、排気ガス中のNO浄化と共に、捕集したパティキュレートを酸化除去してパティキュレートフィルタの目詰まりを発生し難くするのに有効である。
【0065】
しかしながら、パティキュレートフィルタの構造は、前述したように、捕集壁の細孔を排気ガスが通過するウォールフロー型であり、触媒を担持する隔壁に沿って排気ガスが流れる一般的な触媒装置との比較において、同じ大きさで同量の排気ガスを通過させるためには、捕集壁間の寸法を隔壁間の寸法に比較して大きくしなければならない。それにより、パティキュレートフィルタにおいて、排気ガスが捕集壁表面に担持されたNO吸蔵還元触媒と接触する機会は、触媒装置におけるより少ない。また、排気ガスは、捕集壁の細孔を通過する際には、この細孔内に担持されたNO吸蔵還元触媒に接触するが、主には、捕集壁の表面に担持されたNO吸蔵還元触媒にしか接触しない。しかしながら、多数の細孔によって捕集壁表面の触媒担持面積はそれほど大きくない。こうして、NO吸蔵還元触媒をパティキュレートフィルタに担持させても、排気ガス中のNOを十分に浄化することはできない。
【0066】
この問題を解決するために、本実施例では、図18及び19に示すように、切換部71上流側の排気管18には、NO浄化触媒装置74が配置されている。このNO浄化触媒装置74は、パティキュレートフィルタ70でのNO浄化を補うものであり、それほど大きな容量は必要ない。こうして、NO浄化触媒装置74とNO吸蔵還元触媒を有するパティキュレートフィルタ70とによって、排気ガス中のNOを十分に浄化することが可能となる。
【0067】
NO浄化触媒装置74としては、ハニカム構造の担体に、前述したNO吸蔵還元触媒、又は、NO選択還元触媒等のNOを浄化可能な触媒を担持したものであれば良い。
【0068】
ところで、排気ガス中には可溶有機成分SOFが含まれ、このSOFは、粘着性を有し、パティキュレートフィルタ上でパティキュレート同士を付着させ大きな塊に成長させる。これは、パティキュレートフィルタにおいて、パティキュレートを酸化除去させ難くしてパティキュレートフィルタの目詰まりを促進する。それにより、NO吸蔵還元触媒のように酸化機能を有する触媒を担持するNO浄化触媒装置74をパティキュレートフィルタ70の上流側に配置することにより、パティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中のSOFを焼失させ、SOFによるパティキュレートフィルタの目詰まりの促進を防止することができる。
【0069】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してSOが生成される。SOは、パティキュレートフィルタ70へNOと同様なメカニズムにより硫酸塩の形で吸収される。この硫酸塩も硝酸塩と同様なメカニズムによって活性酸素を放出可能であるが、硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としてもパティキュレートフィルタから放出され難く、実際には、パティキュレートフィルタに残留して、吸蔵量が徐々に増加する。パティキュレートフィルタへの硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、パティキュレートフィルタにおける硫酸塩の吸蔵量が増加すれば(以下、SO被毒と称する)、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くNOを吸収することができなくなる。
【0070】
それにより、本実施例では、NO浄化触媒装置74にNO吸蔵還元触媒を担持させ、排気ガス中の硫黄を上流側に位置するNO浄化触媒装置74によって積極的に吸収し、パティキュレートフィルタ70のSO被毒を防止している。これに伴うNO浄化触媒装置74のSO被毒の回復は、以下の手順によって行われる。
【0071】
先ず、SO被毒の回復時期であるか否かの判断が実施される。この判断には、これまでに消費した燃料を積算して、この積算燃料量が設定量に達した時にSO被毒の回復時期と判断することができる。また、NO浄化触媒装置でもパティキュレートフィルタと同様な再生処理(NOの放出浄化処理)が必要となり、この再生処理において、NO浄化触媒装置の排気上流側の空燃比はリッチにされるが、再生中においては、HC等の還元物質が放出されたNOの還元浄化に使用されるために、NO浄化触媒装置の下流側の空燃比は理論空燃比に近くなる。しかしながら、再生が完了すると、NO浄化触媒装置の下流側の空燃比は、上流側の空燃比とほぼ等しくリッチとなる。これを利用して再生時間を検出すれば、SO被毒の回復時期が判断可能である。なぜなら、回復が必要なほどSO被毒が進行していると、再生時期におけるNO吸収量が実際には少なくなっており、再生時間が短くなるためである。
【0072】
SO被毒の再生時期である時には、燃焼空燃比をリーンとして、排気ガス中には比較的多くの酸素が含まれているようにすると共に、排気行程での気筒内燃料噴射又はNO浄化触媒装置の上流側において機関排気系へ燃料を噴射するなどして、NO浄化触媒装置へ十分な酸素と未燃燃料等の還元物質とを供給し、NO浄化触媒装置の有する酸化能力によって還元物質を十分に燃焼させる。
【0073】
こうして、NO浄化触媒装置を600°C程度に昇温させると、安定な硫酸塩は、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、SOとして放出させることができる。NO浄化触媒装置を700°C以上に昇温すると、担持させた白金Pt等の酸化触媒がシンタリングを起こして機能低下するために、NO浄化触媒装置の直下流側の排気温度等を監視して、これが起こらないようにすることが好ましい。このNO浄化触媒装置のSO被毒回復処理中には、切換部71において弁体71aは開放位置とされており、NO浄化触媒装置から放出されたSOは、パティキュレートフィルタ70をバイパスするために、パティキュレートフィルタ70のNO吸収剤に吸収されることはない。NO浄化触媒装置を高温にして近傍雰囲気を一定時間リッチ空燃比とすると、SO被毒回復処理は完了したと判断することができ、燃焼空燃比は通常運転に適した空燃比に戻される。
【0074】
ところで、パティキュレートフィルタに担持させた白金PtおよびNO吸収剤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NO吸収剤61が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。それにより、NO浄化触媒装置のSO被毒回復処理の完了と同時又は完了直後において、切換部71の切換弁71aを一方の遮断位置として、高温度(約600°C)とされたNO浄化触媒装置を通り加熱された排気ガスをパティキュレートフィルタへ導くことにより、パティキュレートフィルタを昇温させ、パティキュレートを酸化除去し易くすることが好ましい。
【0075】
図26の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gを示しており、図26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。なお、図26は単位時間を1秒とした場合の、すなわち、1秒当たりの酸化除去可能微粒子量Gを示しているがこの単位時間としては、1分、10分等任意の時間を採用することができる。例えば、単位時間として10分を用いた場合には単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量Gは10分間当たりの酸化除去可能微粒子量Gを表すことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ70上において単位時間当たりに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gは図26に示されるようにパティキュレートフィルタ70の温度が高くなるほど増大する。
【0076】
さて、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、例えば、1秒当たりの排出微粒子量Mが1秒当たりの酸化除去可能微粒子量Gよりもすくない時、或いは10分当たりの排出微粒子量Mが10分当たりの酸化除去可能微粒子量Gよりも少ない時、即ち図26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70上において輝炎を発することなく順次短時間のうちに酸化除去せしめられる。
【0077】
これに対し、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多いとき、即ち図26の領域IIでは全てのパティキュレートを順次酸化するには活性酸素量が不足している。図27(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。
【0078】
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27(A)に示すようにパティキュレート62がNO吸収剤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27(B)に示されるようにパティキュレートフィルタの隔壁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。
【0079】
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,SOの酸化作用およびNO吸収剤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27(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する。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NO吸収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。
【0080】
このように図26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26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。その結果、パティキュレートフィルタ70における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。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。
【0081】
本実施例では、前述の電子制御ユニット30により図28に示す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所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ101において、走行距離積算値Aが計算され、ステップ102において、この走行距離積算値Aが設定走行距離Asに達したか否かが判断される。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103に進んで走行距離積算値Aを0にリセットした後に、ステップ104において弁体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、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。
【0082】
図29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。車両が設定走行距離Asを走行する間には、図26の領域IIでの運転が実施されることもあり、図29(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、NO吸収剤により放出される活性酸素によってパティキュレートを酸化除去するが、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。本フローチャートでは、この時点において、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29(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。
【0083】
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NO吸収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NO吸収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NO吸収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NO吸収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。
【0084】
すなわち、隔壁の一方の捕集面における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。こうして、パティキュレートの捕集に隔壁の二つの捕集面を交互に使用することにより、常に単一の捕集面でパティキュレートを捕集する場合に比較して、各捕集面でのパティキュレート捕集量を低減することができ、パティキュレートの酸化除去に有利となるために、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はなく、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。
【0085】
本フローチャートにおいて、弁体の切り換えは、設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。
【0086】
こうして、設定走行距離毎に弁体を切り換えれば、パティキュレートフィルタへ多量のパティキュレートが堆積することを確実に防止することができる。このための弁体の切り換え時期は、設定走行距離毎に限定されることはなく、例えば、設定時間毎としても不定期としても良い。
【0087】
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、弁体を切り換えるようにしても良い。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。なお、この差圧は、厳密には、気筒内から排出される排気ガス圧力によっても変化するために、パティキュレートの堆積判断は、機関運転状態を特定して実施することが好ましい。
【0088】
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、弁体を切り換えるようにしても良い。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、弁体を切り換えるようにしても良い。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。
【0089】
また、多量のパティキュレートの堆積を防止するために、このように弁体を切り換えなくても、NO浄化触媒装置のSO被毒回復処理において、弁体を開放位置とするために、SO被毒回復処理の完了時に、開始時の遮断位置とは反対の遮断位置とするようにしても良い。
【0090】
本排気浄化装置は、前述のように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。
【0091】
また、パティキュレートフィルタの近傍雰囲気をリッチ空燃比にすると、即ち近傍雰囲気中の酸素濃度を低下させるとNO吸収剤61から外部に活性酸素Oが一気に放出される。この一気に放出された活性酸素Oによって、堆積パティキュレートは酸化され易いものとなって容易に酸化除去される。
【0092】
一方、近傍雰囲気がリーン空燃比に維持されていると白金Ptの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ptの酸素被毒が生じる。このような酸素被毒が生じるとNOに対する酸化作用が低下するためにNOの吸収効率が低下し、斯くしてNO吸収剤61からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Pt表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比が再びリッチからリーンに切り換えられるとNOに対する酸化作用が強まるためにNOの吸収効率が高くなり、斯くしてNO吸収剤61からの活性酸素放出量が増大する。
【0093】
従って、空燃比がリーンに維持されている時に空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切り換えるとその都度白金Ptの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンである時の活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ70上におけるパティキュレートの酸化作用を促進することができる。
【0094】
さらに、この酸素被毒の解消は、言わば、還元物質の燃焼であるために、発熱を伴ってパティキュレートフィルタを昇温させる。それにより、パティキュレートフィルタにおける酸化除去可能微粒子量が向上し、さらに、残留及び堆積パティキュレートの酸化除去が容易となる。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における他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性酸素を放出し易いために、さらに多量の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できる。もちろん、弁体71aの切り換えとは無関係に時折近傍雰囲気をリッチ空燃比にしても良く、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。
【0095】
近傍雰囲気をリッチ空燃比にする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施すれば良い。もちろん、通常燃焼から低温燃焼へ切り換わる時に、又は、それに先だ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るようにしても良い。また、近傍雰囲気をリッチ空燃比にするために、単に燃焼空燃比をリッチにしても良い。また、圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、機関燃料噴射弁によって排気行程又は膨張行程において気筒内に燃料を噴射(ポスト噴射)しても良く、又は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射(ビゴム噴射)しても良い。もちろん、ポスト噴射又はビゴム噴射は、主燃料噴射との間に必ずしもインターバルを設ける必要はない。また、機関排気系に燃料を供給することも可能である。また、NO浄化触媒装置及びパティキュレートフィルタにおいて、担持させたNO吸収剤からNOを放出させる再生のために近傍雰囲気を少なくとも一時的にリッチ空燃比とする必要があり、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。
【0096】
ところで、排気ガス中のカルシウムCaはSOが存在すると、硫酸カルシウムCaSOを生成する。この硫酸カルシウムCaSOは、酸化除去され難く、パティキュレートフィルタ上にアッシュとして残留することとなる。従って、硫酸カルシウムの残留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、NO吸収剤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を用いることが好ましく、それにより、NO吸収剤61内に拡散するSOはカリウムKと結合して硫酸カリウムKSOを形成し、カルシウムCaはSO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NO吸収剤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。
【0097】
【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、近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にNOXを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にNOXを放出して還元浄化するNOX吸蔵還元触媒をパティキュレート捕集壁に担持して機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタと、酸化機能を有して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配置されたNOX浄化触媒装置とを具備し、NO X 浄化触媒装置は、近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にNO X を吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にNO X を放出して還元浄化するNO X 吸蔵還元触媒を担持しているために、パティキュレートフィルタだけでは不足するNOX浄化を、NOX浄化触媒装置が補うために、排気ガス中のNOXを十分に浄化することができる。またNOX浄化触媒装置の有する酸化機能によって、パティキュレートフィルタの上流側において排気ガス中のSOFを焼失させることができ、パティキュレートフィルタ上でパティキュレートがSOFによって大きな塊に成長することを防止し、パティキュレートフィルタの目詰りを抑制することができる。また、パティキュレートフィルタ内を理論空燃比又はリッチ空燃比とする制御手段が設けられ、制御手段によってパティキュレートフィルタ内を理論空燃比又はリッチ空燃比とすることによりパティキュレートフィルタのNO X 吸蔵還元触媒からNO X を放出させて還元浄化すると共に活性酸素を放出させてパティキュレート捕集壁に捕集されたパティキュレートを酸化除去することができる
【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】スモークおよびNO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1の運転領域Iおよび第2の運転領域IIを示す図である。
【図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1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】普通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】切換部内の弁体の開放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】NOの吸放出作用を説明するための図である。
【図24】単位時間当りのNO吸収量のマップを示す図である。
【図25】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26】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27】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フローチャートである。
【図29】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面図である。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
16…スロットル弁
71…切換部
70…パティキュレートフィルタ
74…NO浄化触媒装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
NO in exhaust gas from internal combustion engines, especially diesel enginesXIs included, this NOXNO in the engine exhaust systemXIt has been proposed to arrange an occlusion reduction catalyst device. NOXThe storage reduction catalyst is NO when the oxygen concentration in the ambient atmosphere is high.XIs absorbed in the form of nitrate, and the absorbed NO is absorbed when the oxygen concentration in the surrounding atmosphere decreases.XIs reduced and purified. As a result, NOXThe storage-reduction catalyst is NO from exhaust gas from diesel engines that are burned under excess air.XNO. By absorbing oxygen well and periodically reducing the oxygen concentration by setting the ambient atmosphere to the theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio,XIs released and purified by reducing substances such as HC.XCan be purified well without being released into the atmosphere.
[0003]
By the way, the exhaust gas of the diesel engine includes particulates mainly composed of soot. This particulate also needs to be processed before being released into the atmosphere, and it has been proposed to arrange a particulate filter for collecting particulates in the engine exhaust system. The above-mentioned NO is added to such a particulate filter.XWhen the storage reduction catalyst is supported, NOXIn addition to occlusion, particulates can be satisfactorily oxidized and removed. In this way, the particulate filter is NO.XIt is considered to be very effective to dispose a catalyst carrying a storage reduction catalyst in the engine exhaust system of a diesel engine.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the structure of the particulate filter is generally a wall flow type in which the exhaust gas passes through the pores of the collection wall, and compared with a general catalyst device in which the exhaust gas flows along the partition wall carrying the catalyst. Thus, the catalyst carrying area on the surface of the collection wall that is mainly in contact with the exhaust gas is small, and in such a particulate filter, NO in the exhaust gas is reduced.XCan not be sufficiently purified.
[0005]
Therefore, the object of the present invention is NOXIn an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having a particulate filter carrying a storage reduction catalyst, NO in exhaust gasXIs to be sufficiently purified.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 according to the present invention, when the ambient atmosphere is a lean air-fuel ratio, NOXWhen the stoichiometric or rich air-fuel ratio is absorbed, NOXNO is released and reduced and purifiedXOcclusion reduction catalystOn the particulate collection wallA particulate filter carried and disposed in the engine exhaust system, and a NOx disposed in the engine exhaust system upstream of the particulate filter having an oxidation functionXWith purification catalyst deviceAnd the NO X The purification catalyst device is NO when the ambient atmosphere is a lean air-fuel ratio. X When the stoichiometric or rich air-fuel ratio is absorbed, NO X NO is released and reduced and purified X Control means for supporting the storage reduction catalyst and setting the inside of the particulate filter to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio is provided. The NO of the particulate filter X NO from the storage reduction catalyst X Is released to reduce and purify, and active oxygen is released to oxidize and remove the particulates collected on the particulate collection wall.It is characterized by that.
[0007]
An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to a second aspect of the present invention is the internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to the first aspect, wherein the NOXIt is characterized by comprising bypass means for allowing exhaust gas to bypass the particulate filter on the downstream side of the purification catalyst device.
[0008]
An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to claim 3 of the present invention is the internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to claim 2, wherein the NOXThe purification catalyst device is the NOXSupports an occlusion reduction catalyst, said NOXSO of purification catalyst equipmentXDuring the poisoning recovery, the bypass means is made to function so that the exhaust gas bypasses the particulate filter.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to a fourth aspect of the present invention.XThe purification catalyst device is the NOXSupports an occlusion reduction catalyst, said NOXSO of purification catalyst equipmentXImmediately after completion of the poisoning recovery, the exhaust means passes through the particulate filter without functioning the bypass means.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a four-stroke diesel engine equipped with an exhaust emission control device according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of a combustion chamber in the diesel engine of FIG. 1, and FIG. It is a bottom view of the cylinder head in the diesel engine of. Referring to FIGS. 1 to 3, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5a is a cavity formed on the top surface of the piston 4, and 5 is formed in the cavity 5a. The combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is a pair of intake valves, 8 is an intake port, 9 is a pair of exhaust valves, 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 an air cleaner 14 via an intake duct 13. A throttle valve 16 driven by an electric motor 15 is disposed in the intake duct 13. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an exhaust pipe 18 via an exhaust manifold 17.
[0011]
As shown in FIG. 1, an air-fuel ratio sensor 21 is disposed in the exhaust manifold 17. The exhaust manifold 17 and the surge tank 12 are connected to each other via an EGR passage 22, and an electrically controlled EGR control valve 23 is disposed in the EGR passage 22. A cooling device 24 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 22 is disposed around the EGR passage 22. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 24, and the EGR gas is cooled by the engine cooling water.
[0012]
On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected to a fuel reservoir, so-called common rail 26, via a fuel supply pipe 25. Fuel is supplied into the common rail 26 from an electrically controlled fuel pump 27 with variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 26 is supplied to the fuel injection valve 6 through each fuel supply pipe 25. A fuel pressure sensor 28 for detecting the fuel pressure in the common rail 26 is attached to the common rail 26, and a fuel pump 27 is set so that the fuel pressure in the common rail 26 becomes a target fuel pressure based on an output signal of the fuel pressure sensor 28. The discharge amount is controlled.
[0013]
An electronic control unit 30 receives an output signal from the air-fuel ratio sensor 21 and an output signal from the fuel pressure sensor 28. Further, 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 an output signal of the load sensor 41 is also input to the electronic control unit 30. For example, an output signal of a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every 30 ° rotation is also input. Thus, the electronic control unit 30 operates the fuel injection valve 6, the electric motor 15, the EGR control valve 23, the fuel pump 27, and the switching valve 71a disposed in the exhaust pipe 18 based on various signals. The switching valve 71a will be described later.
[0014]
As shown in FIGS. 2 and 3, in the embodiment according to the present invention, the fuel injection valve 6 is composed of a hole nozzle having six nozzle ports, and the nozzle port of the fuel injection valve 6 is equiangularly slightly downward with respect to the horizontal plane. Fuel F is injected at intervals. As shown in FIG. 3, two of the six fuel sprays F are scattered along the lower surface of the valve body of each exhaust valve 9. 2 and 3 show the time when fuel injection is performed at the end of the compression stroke. At this time, the fuel spray F advances toward the inner peripheral surface of the cavity 5a, and is then ignited and combusted.
[0015]
FIG. 4 shows a case where additional fuel is injected from the fuel injection valve 6 when the lift amount of the exhaust valve 9 is maximum during the exhaust stroke. That is, as shown in FIG. 5, the main injection Qm is performed near the compression top dead center, and then, the additional fuel Qa is injected in the middle of the exhaust stroke. In this case, the fuel spray F traveling in the direction of the valve body of the exhaust valve 9 is directed between the rear surface of the umbrella portion of the exhaust valve 9 and the exhaust port 10. That is, in other words, of the six nozzle ports of the fuel injection valve 6, two of the nozzle ports discharge the fuel spray F when additional fuel Qa is injected while the exhaust valve 9 is open. It is formed so as to face between the rear surface of the umbrella portion of the valve 9 and the exhaust port 10. In the embodiment shown in FIG. 4, the fuel spray F collides with the back of the umbrella part of the exhaust valve 9 at this time, and the fuel spray F that collides with the back of the umbrella part of the exhaust valve 9 is reflected on the back of the umbrella part of the exhaust valve 9. To the exhaust port 10.
[0016]
Normally, no additional fuel Qa is injected, and only main injection Qm is performed. FIG. 6 shows the change in output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 6) is changed by changing the opening degree and EGR rate of the throttle valve 16 during engine low load operation, and smoke, HC , CO, NOXThe experiment example which shows the change of the discharge amount of is shown. As can be seen from FIG. 6, in this experimental example, the EGR rate increases as the air-fuel ratio A / F decreases, and the EGR rate is 65% or more when the air-fuel ratio is less than the theoretical air-fuel ratio (≈14.6).
[0017]
As shown in FIG. 6, when the air-fuel ratio A / F is decreased by increasing the EGR rate, the EGR rate becomes around 40% and the amount of smoke generated increases when the air-fuel ratio A / F becomes about 30 To start. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is decreased, the amount of smoke generated increases rapidly and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke suddenly decreases, the EGR rate is increased to 65% or more, and when the air-fuel ratio A / F is near 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no wrinkles occur. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and NOXThe amount of generation is considerably low. On the other hand, the generation amount of HC and CO starts increasing at this time.
[0018]
FIG. 7A shows a change in combustion pressure in the combustion chamber 5 when the air-fuel ratio A / F is near 21 and the amount of smoke generated is the largest, and FIG. 7B shows that the air-fuel ratio A / F is 18. A change in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the amount of smoke generated in the vicinity is almost zero is shown. As can be seen by comparing FIG. 7A and FIG. 7B, the case of FIG. 7B where the amount of smoke generated is almost zero is shown in FIG. 7A where the amount of smoke generated is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than the case.
[0019]
The following can be said from the experimental results shown in FIGS. That is, first, when the air-fuel ratio A / F is 15.0 or less and the amount of smoke generated is almost zero, as shown in FIG.XThe amount of generated is significantly reduced. NOXThe reduction in the amount of generation means that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased, and therefore it can be said that the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low when soot is hardly generated. The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 7B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and thus the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
[0020]
Second, when the amount of smoke generated, that is, the amount of soot is substantially zero, the HC and CO emissions increase as shown in FIG. This means that the hydrocarbons are discharged without growing to the soot. That is, linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons as shown in FIG. 8 contained in the fuel are thermally decomposed to form soot precursors when the temperature is raised in an oxygen-deficient state. A soot made of a solid in which carbon atoms are assembled is produced. In this case, the actual soot formation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor will take, but in any case the hydrocarbons shown in FIG. After that, it will grow up to heels. Therefore, as described above, when the generation amount of soot becomes almost zero, the emission amount of HC and CO increases as shown in FIG. 6. At this time, HC is a precursor of soot or a hydrocarbon in the previous state. .
[0021]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 6 and 7, when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, the amount of soot generated becomes almost zero, and at this time, the soot precursor or the previous state Hydrocarbons are discharged from the combustion chamber 5. As a result of repeated experimental research on this in detail, when the temperature of the fuel in the combustion chamber 5 and the gas surrounding it is below a certain temperature, the soot growth process stops midway, that is, soot It was found that soot was not generated at all, and soot was generated when the temperature of the fuel in the combustion chamber 5 and the surrounding temperature became below a certain temperature.
[0022]
By the way, when the hydrocarbon production process stops in the state of soot precursor, the temperature of the fuel and its surroundings, that is, the above-mentioned certain temperature changes depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio and the compression ratio. I can't say how many times, but this certain temperature is NOXTherefore, this certain temperature is NO.XIt can be defined to some extent from the generation amount of. That is, as the EGR rate increases, the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas decreases, and NOXThe amount of generation decreases. At this time NOXOf 10 p. p. When it becomes around m or less, wrinkles hardly occur. Therefore, the above mentioned temperature is NOXOf 10 p. p. It almost corresponds to the temperature when it becomes around m or less.
[0023]
Once soot is produced, it cannot simply be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in the previous state can be easily purified by post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Like this, NOXIt is extremely effective for purifying exhaust gas to reduce the generation amount of hydrocarbons and to discharge hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the state of soot precursor or in front thereof.
[0024]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons in a state before soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber 5 to a temperature lower than the temperature at which soot is generated. There is. In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas, it has been found that the endothermic action of the gas around the fuel when the fuel burns has a very large influence.
[0025]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with oxygen in the air and burns. In this case, the temperature of the air away from the fuel does not rise so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air away from the fuel hardly performs the endothermic action of the combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received this heat of combustion produce soot.
[0026]
On the other hand, the situation is slightly different when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air. In this case, the evaporated fuel diffuses around and reacts with oxygen mixed in the inert gas and burns. In this case, since the combustion heat is absorbed by the surrounding inert gas, the combustion temperature does not rise so much. That is, the combustion temperature can be kept low. That is, the presence of the inert gas plays an important role in suppressing the combustion temperature, and the combustion temperature can be kept low by the endothermic action of the inert gas.
[0027]
In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated, an amount of inert gas that can absorb a sufficient amount of heat is required. Therefore, if the amount of fuel increases, the amount of inert gas required increases accordingly. In this case, the greater the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action. Therefore, the inert gas is preferably a gas having a large specific heat. This point, CO2Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as an inert gas.
[0028]
FIG. 9 shows the relationship between the EGR rate and smoke when EGR gas is used as the inert gas and the cooling degree of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 9, curve A shows the case where EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the case where EGR gas is cooled by a small cooling device. Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0029]
As shown by curve A in FIG. 9, when the EGR gas is cooled strongly, soot generation peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. If you do, almost no wrinkles will occur. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 9, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot generated peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is almost 65% or more. If this is done, almost no wrinkles will occur.
[0030]
Further, as shown by the curve C in FIG. 9, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generated reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is approximately 70%. If the percentage is exceeded, almost no wrinkles occur. FIG. 9 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load is reduced, the EGR rate at which the amount of soot reaches a peak slightly decreases, and the EGR rate at which soot hardly occurs. The lower limit is also slightly reduced. Thus, the lower limit of the EGR rate at which soot hardly occurs varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0031]
FIG. 10 shows the amount of mixed gas of EGR gas and air necessary for making the temperature of the fuel and the surrounding gas lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas. And the ratio of the air in this gas mixture amount, and the ratio of the EGR gas in this gas mixture are shown. In FIG. 10, the vertical axis indicates the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5, and the chain line Y indicates the total intake gas amount that can be sucked into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. Yes. The horizontal axis indicates the required load, and Z1 indicates the low load operation region.
[0032]
Referring to FIG. 10, the ratio of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air necessary to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 10, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, the ratio of EGR gas in FIG. 10, that is, the amount of EGR gas in the mixed gas, is necessary to make the temperature of the fuel and its surrounding gas lower than the temperature at which soot is formed when the injected fuel is burned. The minimum amount of EGR gas is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, if the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5 is a solid line X in FIG. 10, the ratio of the air amount and the EGR gas amount in the total intake gas amount X is a ratio as shown in FIG. The temperature of the fuel and the surrounding gas is lower than the temperature at which soot is produced, and so no soot is produced. Also, NO at this timeXThe amount generated is 10 p. p. around m or less, so NOXThe amount of generated is extremely small.
[0033]
If the amount of fuel injection increases, the amount of heat generated when the fuel burns increases. Therefore, in order to maintain the temperature of the fuel and the surrounding gas at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, the amount of heat absorbed by the EGR gas Must be increased. Therefore, as shown in FIG. 10, the amount of EGR gas must be increased as the amount of injected fuel increases. That is, the amount of EGR gas needs to increase as the required load increases.
[0034]
On the other hand, in the load region Z2 of FIG. 10, the total intake gas amount X necessary for preventing the generation of soot exceeds the total intake gas amount Y that can be sucked. Therefore, in this case, in order to supply the total intake gas amount X necessary for preventing the generation of soot into the combustion chamber 5, it is necessary to supercharge or pressurize both the EGR gas and the intake air, or the EGR gas. When EGR gas or the like is not supercharged or pressurized, the total intake gas amount X coincides with the total intake gas amount Y that can be sucked in the load region Z2. Therefore, in this case, in order to prevent the generation of soot, the amount of air is slightly decreased to increase the amount of EGR gas, and the fuel is burned under a rich air-fuel ratio.
[0035]
As described above, FIG. 10 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio, but even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. 10 in the low load operation region Z1 shown in FIG. That is, even if the air-fuel ratio is rich, NO is generated while preventing the generation of soot.XOf 10 p. p. m or less, and even if the air amount is larger than the air amount shown in FIG. 10 in the low load region Z1 shown in FIG. 10, that is, the average value of the air-fuel ratio is 17 to 18. NO while preventing the occurrence of soot even if leanXOf 10 p. p. It can be around m or less.
[0036]
That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so that the excess fuel does not grow to soot, and so no soot is generated. At this time, NOXHowever, only a very small amount is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated if the combustion temperature is high, but in the present invention the soot is suppressed to a low temperature, so Not generated at all. In addition, NOXHowever, only a very small amount is generated.
[0037]
Thus, in the engine low load operation region Z1, regardless of the air-fuel ratio, that is, whether the air-fuel ratio is rich, the stoichiometric air-fuel ratio, or the average air-fuel ratio is lean, no soot is generated.XThe amount of generated is extremely small. Therefore, considering the improvement of the fuel consumption rate, it can be said that it is preferable to make the average air-fuel ratio lean at this time.
[0038]
By the way, in order to suppress the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature to a temperature below the temperature at which hydrocarbon growth stops halfway, it is better when the engine load is relatively low and the amount of heat generated by combustion is small. preferable. Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the engine load is relatively low, the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas temperature are suppressed to a temperature below the temperature at which hydrocarbon growth stops halfway, so that the first combustion, that is, low temperature combustion is performed. When the engine load is relatively high, the second combustion, that is, the combustion normally performed conventionally is performed. Here, the first combustion, that is, low temperature combustion, as is clear from the above description, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the worst inert gas amount at which the amount of soot generation is maximum, and soot is almost generated. The second combustion, that is, the combustion that is normally performed in the past, is combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the worst inert gas amount that generates the largest amount of soot. Say.
[0039]
FIG. 11 shows a first operation region I in which the first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second combustion region II in which the second combustion, that is, combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 11, the vertical axis L indicates the amount of depression of the accelerator pedal 40, that is, the required load, and the horizontal axis N indicates the engine speed. In FIG. 11, X (N) indicates the first boundary between the first operation region I and the second operation region II, and Y (N) indicates the first operation region I and the second operation region. A second boundary with region II is shown. The change determination of the operation region from the first operation region I to the second operation region II is performed based on the first boundary X (N), and the change from the second operation region II to the first operation region I is performed. The change determination of the operation region is performed based on the second boundary Y (N).
[0040]
That is, when the engine operating state is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, if the required load L exceeds the first boundary X (N) that is a function of the engine speed N, the operating region is It is determined that the operation has shifted to the second operation region II, and combustion by the conventional combustion method is performed. Next, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N) that is a function of the engine speed N, it is determined that the operating region has shifted to the first operating region I, and low temperature combustion is performed again.
[0041]
FIG. 12 shows the output of the air-fuel ratio sensor 21. As shown in FIG. 12, the output current I of the air-fuel ratio sensor 21 changes according to the air-fuel ratio A / F. Therefore, the air-fuel ratio can be known from the output current I of the air-fuel ratio sensor 21. Next, operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
[0042]
FIG. 13 shows the opening degree of the throttle valve 16, the opening degree of the EGR control valve 23, the EGR rate, the air-fuel ratio, the injection timing, and the injection amount with respect to the required load L. As shown in FIG. 13, in the first operation region I where the required load L is low, the opening degree of the throttle valve 16 is gradually increased from nearly fully closed to about half-open as the required load L increases, and the EGR control valve 23 As the required load L increases, the degree of opening is gradually increased from near full close to full open. Further, in the example shown in FIG. 13, in the first operating region I, the EGR rate is approximately 70%, and the air-fuel ratio is a slightly lean air-fuel ratio.
[0043]
In other words, the opening degree of the throttle valve 16 and the opening degree of the EGR control valve 23 are controlled so that the EGR rate becomes approximately 70% in the first operation region I and the air / fuel ratio becomes a slightly lean air / fuel ratio. The air-fuel ratio at this time is controlled to the target lean air-fuel ratio by correcting the opening degree of the EGR control valve 23 based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 21. In the first operation region I, fuel injection is performed before the compression top dead center TDC. In this case, the injection start timing θS is delayed as the required load L is increased, and the injection completion timing θE is also delayed as the injection start timing θS is delayed.
[0044]
During the idling operation, the throttle valve 16 is closed to near full close. At this time, the EGR control valve 23 is also closed to close to full close. When the throttle valve 16 is closed to close to the fully closed state, the pressure in the combustion chamber 5 at the start of compression becomes low, so the compression pressure becomes small. When the compression pressure is reduced, the compression work by the piston 4 is reduced, so that the vibration of the engine body 1 is reduced. That is, during idling operation, the throttle valve 16 is closed to close to the fully closed state in order to suppress vibration of the engine body 1.
[0045]
On the other hand, when the engine operating region changes from the first operating region I to the second operating region II, the opening of the throttle valve 16 is increased stepwise from the half-open state to the fully-open direction. At this time, in the example shown in FIG. 13, the EGR rate is decreased in a step-like manner from approximately 70% to 40% or less, and the air-fuel ratio is increased in a step-like manner. That is, since the EGR rate exceeds the EGR rate range (FIG. 9) that generates a large amount of smoke, a large amount of smoke is generated when the engine operating region changes from the first operating region I to the second operating region II. There is no.
[0046]
Conventional combustion is performed in the second operation region II. In this combustion method, soot and NOXHowever, when the engine operating region is changed from the first operating region I to the second operating region II, the injection amount is reduced stepwise as shown in FIG. I'm damned.
[0047]
In the second operation region II, the throttle valve 16 is held in a fully open state except for a part thereof, and the opening degree of the EGR control valve 23 is gradually reduced as the required load L increases. In this operation region II, the EGR rate decreases as the required load L increases, and the air-fuel ratio decreases as the required load L increases. However, the air-fuel ratio is made a lean air-fuel ratio even when the required load L increases. In the second operation region II, the injection start timing θS is set near the compression top dead center TDC.
[0048]
FIG. 14 shows the air-fuel ratio A / F in the first operating region I. In FIG. 14, the curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 have air-fuel ratios of 15.5, 16, 17, and 18, respectively. Time is shown, and the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 14, the air-fuel ratio is lean in the first operation region I, and in the first operation region I, the air-fuel ratio A / F is leaner as the required load L becomes lower.
[0049]
That is, the lower the required load L, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, low temperature combustion can be performed even if the EGR rate is reduced as the required load L is reduced. When the EGR rate is lowered, the air-fuel ratio increases, so as shown in FIG. 14, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases. As the air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate improves. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, in this embodiment, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases.
[0050]
Note that the target opening ST of the throttle valve 16 required to set the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio shown in FIG. 14 is a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 23 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio shown in FIG. 14 is stored in the ROM 32 in advance as shown in FIG. And is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of the engine speed N.
[0051]
FIG. 16 shows the target air-fuel ratio when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 16, the curves indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate the target air-fuel ratios 24, 35, 45, and 60, respectively. The target opening ST of the throttle valve 16 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is previously stored in the ROM 32 in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 23 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is stored as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. It is stored in the ROM 32 in advance in the form of a map.
[0052]
Thus, in the diesel engine of the present embodiment, the first combustion, that is, low-temperature combustion, and the second combustion, that is, normal combustion are switched based on the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N. In each combustion, based on the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N, the opening control of the throttle valve 16 and the EGR valve is performed by the map shown in FIG.
[0053]
FIG. 18 is a plan view showing the exhaust purification apparatus of this embodiment, and FIG. 19 is a side view thereof. In the present exhaust purification apparatus, the switching unit 71 connected to the downstream side of the exhaust manifold 17 via the exhaust pipe 18, the particulate filter 70, and the first side connecting the one side of the particulate filter 70 and the switching unit 71. A connection part 72 a, a second connection part 72 b that connects the other side of the particulate filter 70 and the switching part 71, and an exhaust passage 73 on the downstream side of the switching part 71 are provided. The switching unit 71 includes a valve body 71 a that can block the exhaust flow in the switching unit 71. The valve body 71a is driven by a negative pressure actuator or a step motor. At the first cutoff position of the valve body 71a, the upstream side in the switching unit 71 is communicated with the first connection portion 72a and the downstream side in the switching unit 71 is communicated with the second connection portion 72b. As indicated by the arrow, the particulate filter 70 flows from one side to the other side.
[0054]
FIG. 20 shows a second blocking position of the valve body 71a. At this shut-off position, the upstream side in the switching unit 71 communicates with the second connection portion 72b and the downstream side in the switching unit 71 communicates with the first connection portion 72a, and the exhaust gas is as shown by arrows in FIG. The particulate filter 70 flows from the other side to the one side. Thus, by switching the valve body 71a from one of the first cutoff position and the second cutoff position to the other, the direction of the exhaust gas flowing into the particulate filter 70 can be reversed, that is, the exhaust of the particulate filter 70. It is possible to reverse the upstream side and the exhaust downstream side. FIG. 21 shows the open position of the valve body 71a between the first cutoff position and the second cutoff position. In this open position, the inside of the switching unit 71 is not shut off, and the exhaust gas flows bypassing the particulate filter 70 as indicated by arrows in FIG.
[0055]
FIG. 22 shows the structure of the particulate filter 70. In FIG. 22, (A) is a front view of the particulate filter 70, and (B) is a side sectional view. As shown in these drawings, the particulate filter 70 has an oblong front shape, and is, for example, a wall flow type having a honeycomb structure formed of a porous material such as cordierite, and has a large number of axes. It has a number of axial spaces subdivided by partition walls 54 extending in the direction. In the two adjacent axial spaces, one is closed on the exhaust downstream side by the plug 53 and the other is closed on the exhaust upstream side. In this way, one of the two adjacent axial spaces becomes the exhaust gas inflow passage 50 and the other becomes the outflow passage 51, and the exhaust gas always passes through the partition wall 54 as shown by an arrow in FIG. The particulates in the exhaust gas are very small compared to the size of the pores of the partition wall 54, but collide with the exhaust upstream surface of the partition wall 54 and the pore surface in the partition wall 54. Be collected. Thus, each partition wall 54 functions as a collecting wall for collecting particulates. In this particulate filter 70, NO or the like described below using alumina or the like on both side surfaces of each partition wall 54, and preferably on the pore surface of each partition wall.XAn absorbent and a noble metal catalyst such as platinum Pt are supported.
[0056]
NO supported on the partition wall 20aXIn this embodiment, the absorbent is an alkaline metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, or rubidium Rb, alkaline earth such as barium Ba, calcium Ca, or strontium Sr, lanthanum La, or yttrium Y. And at least one selected from such rare earths and transition metals. This NOXThe absorbent is NO when the air-fuel ratio in the ambient atmosphere (the ratio of air to fuel, regardless of how much fuel is burned using oxygen in the air) is lean.XNO is absorbed when the air-fuel ratio becomes stoichiometric or rich.XNO releaseXPerforms absorption and release action.
[0057]
This NOXThe absorbent is actually NOXThe detailed mechanism of this absorption / release action is not clear. However, it is considered that this absorption / release action is performed by the mechanism shown in FIG. Next, this mechanism will be described by taking as an example the case where platinum Pt and barium Ba are supported on the particulate filter partition walls, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
[0058]
When combustion is performed with the air-fuel ratio being lean regardless of low-temperature combustion or normal combustion, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. At this time, as shown in FIG.2Is O2 Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). Then the generated NO2As shown in FIG. 23 (A), a part of the Nitrate is absorbed in the absorbent while being oxidized on the platinum Pt and combined with the barium oxide BaO.3 Diffuses into the absorbent in the form of In this way NOXIs NOXAbsorbed in the absorbent. NO on the surface of platinum Pt as long as the oxygen concentration in the vicinity atmosphere is high2Is produced and NO in the absorbentXUnless the absorption capacity is saturated, NO2Is absorbed into the absorbent and nitrate ion NO.3 Is generated.
[0059]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is made rich, the oxygen concentration decreases, and as a result, NO on the surface of platinum Pt.2The production amount of is reduced. NO2When the production amount of NO decreases, the reaction reverses (NO3 → NO2) And thus nitrate ion NO in the absorbent3 Is NO2Is released from the absorbent in the form of NO at this timeXNO released from the absorbentXAs shown in FIG. 23 (B), it is reduced by reacting with HC, CO, etc. contained in the nearby atmosphere. In this way, NO on the surface of platinum Pt.2NO from the absorbent to the next when no longer exists2Is released. Therefore, when the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is made rich, NO is quickly reached.XNO from absorbentXIs released, and this released NOXNO in the atmosphere becauseXWill not be discharged.
[0060]
In this case, even if the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is the stoichiometric air-fuel ratio, NOXNO from absorbentXIs released. However, in this case NOXNO from absorbentXNO is absorbed by the particulate filter because it is released only gradually.XIt takes a little longer time to release.
[0061]
By the way NOXAbsorbent NOXAbsorption capacity is limited, NOXAbsorbent NOXNO before absorption capacity saturatesXNO from absorbentXNeed to be released. That is, NO absorbed in the particulate filter 70XAmount is NOXBefore reaching storage capacity, NOXNeeds to be regenerated by reducing and purifying it.XThe amount needs to be estimated. Therefore, in this embodiment, NO per unit time when low temperature combustion is performed.XThe amount of absorption A is obtained in advance in the form of a map as shown in FIG. 24A as a function of the required load L and the engine speed N, and NO per unit time when normal combustion is performed.XAbsorption amount B is determined in advance in the form of a map as shown in FIG. 24B as a function of required load L and engine speed N, and NO per unit time is obtained.XNO absorbed in the particulate filter by integrating the absorption amounts A and BXThe amount is estimated. Here, NO per unit time when low temperature combustion is performedXThe amount of absorption A is, of course, NO when low-temperature combustion is performed at a rich air-fuel ratio.XWill be released, so it has a negative value. In this embodiment, this NOXIn order to regenerate the particulate filter when the amount of absorption exceeds a predetermined allowable value, low-temperature combustion at the stoichiometric or rich air-fuel ratio is performed, or fuel is injected into the cylinder in the exhaust stroke As a result, the atmosphere in the vicinity of the particulate filter 70 is set to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, and this state is maintained for at least the time until regeneration is completed (the shorter the air-fuel ratio in the vicinity atmosphere is, the shorter the state is). It has become.
[0062]
In this way, the particulate filter has NOXWhen the absorbent is supported, the particulates collected on the collection wall can be satisfactorily oxidized and removed. This mechanism will be described with reference to FIG. As mentioned above, NOXIs nitrate NO through platinum Pt603 NO in the form ofXIt is absorbed in the absorbent 61. This NOXWhen the particulate 62 adheres to the absorbent, the particulate 62 and NOXOn the contact surface with the absorbent 61, the oxygen concentration decreases. NO with high oxygen concentration when oxygen concentration decreasesXA concentration difference occurs between the absorbent 61 and NO.XOxygen in the absorbent 61 is particulate 62 and NO.XIt tries to move toward the contact surface with the absorbent 61. As a result, NOXNitrate ion NO in absorbent 613 Is decomposed into oxygen O and NO, and oxygen O is converted into particulate 62 and NO.XHeading to the contact surface with the absorbent 61, NO is NOXReleased from the absorbent 61 to the outside. NO released to the outside is oxidized on the platinum Pt on the downstream side, and again NO.XAbsorbed in the absorbent 61.
[0063]
On the other hand, the particulate 62 and NOXThe oxygen O toward the contact surface with the absorbent 61 is nitrate, that is, oxygen decomposed from the compound. Oxygen O decomposed from the compound has high energy and has extremely high activity. Therefore, the particulate 62 and NOXOxygen heading to the contact surface with the absorbent 61 is active oxygen O. When these active oxygen O comes into contact with the particulate 62, the particulate 62 is oxidized in a short time of several minutes to several tens of minutes without emitting a luminous flame. The active oxygen O that oxidizes the particulate 62 is NO.XIt is also released when NO is absorbed by the absorbent 61. That is, NOXNO is repeatedly bonded and separated from oxygen atoms.XNitrate ion NO in the absorbent 613 The active oxygen is generated during this period. The particulate 62 is also oxidized by this active oxygen. Further, the particulates adhering to the particulate filter 70 are not only oxidized by the active oxygen O in this way, but also the particulates 62 are oxidized by oxygen in the exhaust gas.
[0064]
In this way, the particulate filter has NOXAbsorbent and precious metal catalyst (hereinafter referred to as NOX(Referred to as an occlusion reduction catalyst)XIn addition to purification, it is effective to oxidize and remove the collected particulates so that the particulate filter is less likely to be clogged.
[0065]
However, the structure of the particulate filter is, as described above, a wall flow type in which exhaust gas passes through the pores of the collection wall, and a general catalyst device in which exhaust gas flows along the partition wall supporting the catalyst. In order to allow the same amount of exhaust gas to pass through in the comparison, the dimension between the collection walls must be larger than the dimension between the partition walls. Thereby, in the particulate filter, the exhaust gas is supported on the surface of the collection wall.XThere is less opportunity to contact the storage reduction catalyst than in the catalytic device. Further, when the exhaust gas passes through the pores of the collection wall, NO gas supported in the pores is collected.XIt is in contact with the storage reduction catalyst, but it is mainly NO supported on the surface of the collection wall.XIt contacts only the storage reduction catalyst. However, the catalyst support area on the surface of the collection wall is not so large due to the large number of pores. Thus, NOXEven if the storage reduction catalyst is supported on the particulate filter, NO in the exhaust gasXCan not be sufficiently purified.
[0066]
In order to solve this problem, in this embodiment, as shown in FIGS. 18 and 19, the exhaust pipe 18 on the upstream side of the switching unit 71 is provided with NO.XA purification catalyst device 74 is arranged. This NOXThe purification catalyst device 74 is configured so that the NO in the particulate filter 70XIt supplements purification and does not require a large capacity. Thus, NOXPurification catalyst device 74 and NOXNO in the exhaust gas by the particulate filter 70 having an occlusion reduction catalyst.XCan be sufficiently purified.
[0067]
NOXAs the purification catalyst device 74, the above-described NO is applied to the honeycomb structure carrier.XOcclusion reduction catalyst or NOXNO such as selective reduction catalystXWhat is necessary is just to carry | support the catalyst which can purify | clean.
[0068]
By the way, a soluble organic component SOF is contained in the exhaust gas, and this SOF has adhesiveness, and the particulates adhere to each other on the particulate filter and grow into a large lump. This facilitates clogging of the particulate filter by making it difficult to oxidize and remove the particulate in the particulate filter. As a result, NOXNO carrying a catalyst having an oxidation function such as an occlusion reduction catalystXBy disposing the purification catalyst device 74 on the upstream side of the particulate filter 70, the SOF in the exhaust gas is burned out on the upstream side of the particulate filter, and the promotion of clogging of the particulate filter by the SOF can be prevented. .
[0069]
By the way, the fuel of the internal combustion engine contains sulfur, and the SOXIs generated. SOXNO to the particulate filter 70XIt is absorbed in the form of sulfate by the same mechanism. This sulfate can also release active oxygen by the same mechanism as nitrate, but since sulfate is a stable substance, it is difficult to release from the particulate filter even if the surrounding atmosphere is rich air-fuel ratio. The occlusion amount gradually increases, remaining in the particulate filter. The amount of nitrate or sulfate that can be stored in the particulate filter is finite, and if the amount of sulfate stored in the particulate filter increases (hereinafter referred to as SO).X(Referred to as poisoning), the amount of nitrate that can be stored decreases, and finally, NOXCannot absorb.
[0070]
Therefore, in this embodiment, NOXNO in the purification catalyst device 74XNO is located on the upstream side of the sulfur gas in the exhaust gas, supporting the storage reduction catalystXActively absorbed by the purification catalyst device 74 and the SO of the particulate filter 70XPreventing poisoning. NO associated with thisXSO of the purification catalyst device 74XThe recovery from poisoning is performed by the following procedure.
[0071]
First, SOXA determination is made as to whether it is time to recover from poisoning. For this determination, the fuel consumed so far is integrated, and when this integrated fuel amount reaches the set amount, the SOXIt can be judged that it is time to recover from poisoning. NOXAlso in the purification catalyst device, the same regeneration process as the particulate filter (NOXIn this regeneration process, NOXThe air-fuel ratio upstream of the exhaust gas from the purification catalyst device is made rich, but during regeneration, the reducing substances such as HC are released.XNO for use in reduction purification of NOXThe air-fuel ratio downstream of the purification catalyst device is close to the stoichiometric air-fuel ratio. However, when playback is complete, NOXThe air-fuel ratio on the downstream side of the purification catalyst device becomes almost equal to the upstream air-fuel ratio and becomes rich. If playback time is detected using this, SOXThe recovery time of poisoning can be determined. Because SO needs recoveryXIf poisoning is in progress, NO during the regeneration periodXThis is because the amount of absorption is actually small and the regeneration time is short.
[0072]
SOXDuring the poisoning regeneration period, the combustion air-fuel ratio is made lean so that the exhaust gas contains a relatively large amount of oxygen, and in-cylinder fuel injection or NO in the exhaust strokeXBy injecting fuel into the engine exhaust system on the upstream side of the purification catalyst device, NOXSupply sufficient oxygen and reducing substances such as unburned fuel to the purification catalyst device,XThe reducing substance is sufficiently burned by the oxidation capability of the purification catalyst device.
[0073]
Thus, NOXWhen the temperature of the purification catalyst device is raised to about 600 ° C., the stable sulfate can be obtained by reducing the oxygen concentration by setting the atmosphere near the stoichiometric or rich air-fuel ratio to decrease the oxygen concentration.XCan be released as NOXWhen the temperature of the purification catalyst device is raised to 700 ° C or higher, the supported oxidation catalyst such as platinum Pt deteriorates due to sintering, and therefore NO.XIt is preferable to monitor the exhaust temperature etc. immediately downstream of the purification catalyst device to prevent this from occurring. This NOXSO of purification catalyst equipmentXDuring the poisoning recovery process, the valve body 71a is in the open position in the switching unit 71, and NOXSO released from the purification catalyst deviceXIn order to bypass the particulate filter 70, the NO of the particulate filter 70XIt is not absorbed by the absorbent. NOXWhen the temperature of the purification catalyst device is set to a high temperature and the ambient atmosphere is set to a rich air-fuel ratio for a certain period,XIt can be determined that the poisoning recovery process has been completed, and the combustion air-fuel ratio is returned to an air-fuel ratio suitable for normal operation.
[0074]
By the way, platinum Pt and NO supported on the particulate filter.XSince the absorbent 61 is activated as the temperature of the particulate filter increases, NO per unit time.XThe amount of active oxygen O released from the absorbent 61 increases as the temperature of the particulate filter increases. As a matter of course, the higher the temperature of the particulate itself, the easier it is to be removed by oxidation. Therefore, the amount of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a luminous flame per unit time on the particulate filter increases as the temperature of the particulate filter increases. As a result, NOXSO of purification catalyst equipmentXSimultaneously with the completion of the poisoning recovery process or immediately after the completion, the switching valve 71a of the switching unit 71 is set to one blocking position, and the NO is set to a high temperature (about 600 ° C.).XIt is preferable that the exhaust gas heated through the purification catalyst device is guided to the particulate filter to raise the temperature of the particulate filter so that the particulates are easily removed by oxidation.
[0075]
The solid line in FIG. 26 indicates the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a luminous flame per unit time. In FIG. 26, the horizontal axis indicates the temperature TF of the particulate filter. FIG. 26 shows the amount G of fine particles that can be removed by oxidation when the unit time is 1 second, that is, 1 second, but an arbitrary time such as 1 minute or 10 minutes is adopted as the unit time. be able to. For example, when 10 minutes is used as the unit time, the oxidizable and removable fine particle amount G per unit time represents the oxidizable and removable fine particle amount G per 10 minutes. Even in this case, the unit on the particulate filter 70 As shown in FIG. 26, the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a luminous flame per hour increases as the temperature of the particulate filter 70 increases.
[0076]
Now, when the amount of particulate discharged from the combustion chamber per unit time is referred to as discharged particulate amount M, when the discharged particulate amount M is smaller than the oxidizable and removable particulate amount G, for example, the amount of discharged particulate per second. When M is less than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation per second, or when the amount M of fine particles discharged per 10 minutes is smaller than the amount of fine particles G that can be removed by oxidation every 10 minutes, that is, in the region I in FIG. All the particulates discharged from the chamber are sequentially oxidized and removed within the short time without emitting a bright flame on the particulate filter 70.
[0077]
In contrast, 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 of FIG. 26, the amount of active oxygen is insufficient to sequentially oxidize all the particulates. 27A to 27C show the state of particulate oxidation in such a case.
[0078]
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the particulates, the particulate 62 is NO as shown in FIG.XWhen adhering to the absorbent 61, only a part of the particulate 62 is oxidized, and the part of the particulate that has not been sufficiently oxidized remains on the exhaust gas upstream side surface of the particulate filter. Next, when the state where the amount of active oxygen is deficient continues, the particulate portion that has not been oxidized from one to the next remains on the exhaust upstream surface. As a result, as shown in FIG. The exhaust upstream surface of the partition wall is covered with the residual particulate portion 63.
[0079]
Such residual particulate portion 63 gradually changes to a carbonaceous material that is difficult to oxidize, and when the exhaust upstream surface is covered with the residual particulate portion 63, NO and SO by platinum Pt.2Oxidation of NO and NOXThe action of releasing active oxygen by the absorbent 61 is suppressed. Accordingly, the residual particulate portion 63 can be gradually oxidized over time, but another particulate 64 is placed on the residual particulate portion 63 from the next to the next as shown in FIG. And deposit. That is, when the particulates are deposited in a laminated form, the particulates are platinum Pt and NO.XBecause of the distance from the absorbent, even particulates that are easily oxidized are not oxidized by active oxygen. Therefore, further particulates are deposited on the particulate 64 one after another. In other words, if the state in which 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 in a stacked manner.
[0080]
In this way, in the region I in FIG. 26, the particulates are oxidized on the particulate filter within a short time without emitting a bright flame, and in the region II in FIG. 26, the particulates are deposited in a stacked manner on the particulate filter. To do. Therefore, if the relationship between the discharged fine particle amount M and the oxidizable and removable fine particle amount G is in the region I, the accumulation of particulates on the particulate filter can be prevented. As a result, the pressure loss of the exhaust gas flow in the particulate filter 70 is maintained at a substantially constant minimum pressure loss value without changing at all. Thus, a reduction in engine output can be kept to a minimum. However, this is not always realized, and if nothing is done, particulates may accumulate on the particulate filter.
[0081]
In the present embodiment, switching control of the valve body 71a is performed by the electronic control unit 30 according to the flowchart shown in FIG. 28 to prevent a large amount of particulates from accumulating on the particulate filter. This flowchart is repeated every predetermined time. First, in step 101, the travel distance integrated value A is calculated. In step 102, it is determined whether or not the travel distance integrated value A has reached the set travel distance As. When this determination is denied, the process is terminated as it is. When the determination is affirmative, the routine proceeds to step 103, where the accumulated travel distance A is reset to 0, and then at step 104, the valve body 71a is moved to the first cutoff position and the second cutoff position. Switching from one to the other reverses the exhaust upstream side and exhaust downstream side of the particulate filter.
[0082]
FIG. 29 is an enlarged cross-sectional view of the partition wall 54 of the particulate filter. While the vehicle travels the set travel distance As, the operation in the region II of FIG. 26 may be performed, and as shown by the grid in FIG. 29A, the partition wall 54 on which the exhaust gas mainly collides. The exhaust upstream surface of the exhaust gas and the exhaust gas flow facing surface in the pores collect and collide particulates as one of the collection surfaces.XThe particulates are oxidized and removed by the active oxygen released by the absorbent, but the oxidation removal is insufficient and the particulates may remain. At this time, the exhaust resistance of the particulate filter does not adversely affect the running of the vehicle. However, if particulates accumulate further, problems such as a significant decrease in engine output occur. In this flowchart, at this time, the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter are reversed. As a result, no further particulate is deposited on the particulate remaining on one collecting surface of the partition wall 54, and the remaining particulate is gradually oxidized and removed by the active oxygen released from the one collecting surface. Is done. Further, the residual particulates are easily broken and fragmented by the exhaust gas flow in the reverse direction as shown in FIG. 29B, and flow mainly downstream in the pores.
[0083]
As a result, many of the finely divided particulates are dispersed in the pores of the partition walls and are supported on the inner surfaces of the pores of the partition walls.XThere is an increased chance of oxidation removal in direct contact with the absorbent. Thus, NO also enters the pores of the partition walls.XBy supporting the absorbent, the residual particulates can be remarkably easily oxidized and removed. Further, in addition to this oxidation removal, the other collecting surface of the partition wall 54 that has become upstream due to the backflow of the exhaust gas, that is, the exhaust upstream surface of the partition wall 54 where the exhaust gas mainly collides and the inside of the pores On the exhaust gas flow facing surface (which is on the opposite side of the one collecting surface), new particulates in the exhaust gas adhere to the NO.XIt is oxidized and removed by the active oxygen released from the absorbent. NO during these oxidation removalsXPart of the active oxygen released from the absorbent moves to the downstream side together with the exhaust gas, and oxidizes and removes the particulates still remaining due to the backflow of the exhaust gas.
[0084]
That is, the residual particulates on one collecting surface of the partition wall are not only used for the active oxygen released from this collecting surface but also for the oxidation removal of the particulates on the other collecting surface of the partition wall by the backflow of the exhaust gas. The remaining active oxygen used comes with the exhaust gas. As a result, even if particulates are accumulated to some extent on one collecting surface of the partition wall at the time of switching of the valve body, if the exhaust gas flows backward, the particulates accumulated on the residual particulates In addition to the arrival of active oxygen, no further particulates are deposited, so the deposited particulates are gradually oxidized and removed. Oxidation removal is possible. In this way, by alternately using the two collecting surfaces of the partition wall for collecting particulates, the particles on each collecting surface are compared with the case where the particulates are always collected on a single collecting surface. Since the amount of curate collected can be reduced and it is advantageous for the removal of particulates by oxidation, particulates do not accumulate on the particulate filter, and clogging of the particulate filter can be prevented.
[0085]
In this flowchart, the valve body is switched at every set travel distance, and the valve body is switched before the residual particulate on the particulate filter is changed to a carbonaceous material that is hardly oxidized. In addition, removing particulates by oxidation before a large amount of particulates accumulates prevents problems such as a large amount of deposited particulates igniting and burning at a time and the particulate filter melting due to a large amount of combustion heat. It also becomes. Moreover, even if a large amount of particulates accumulates on one collection surface of the particulate filter partition wall at the time of switching of the valve body due to some reason, if the valve body is switched, the accumulated particulates will be in the reverse direction. Particulate particulates that could not be oxidized and removed within the pores of the partition walls are discharged from the particulate filter because they are relatively easily destroyed and fragmented by the exhaust gas flow. The exhaust resistance of the filter is further increased and does not adversely affect the running of the vehicle, and new particulates can be collected by the other collecting surface of the particulate filter partition wall.
[0086]
Thus, if the valve body is switched for each set travel distance, it is possible to reliably prevent a large amount of particulate from accumulating on the particulate filter. The switching timing of the valve body for this purpose is not limited for each set travel distance, and may be set every set time or irregularly, for example.
[0087]
Further, by utilizing the fact that the differential pressure between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter 70 increases according to the amount of particulates remaining and deposited on the particulate filter, this differential pressure exceeds the set differential pressure. At this time, the valve body may be switched on the assumption that a certain amount of particulates is accumulated on the particulate filter. Specifically, the exhaust pressure on one side of the particulate filter 70, that is, the exhaust pressure in the first connection portion 72a (see FIG. 18) is detected by a pressure sensor disposed in the first connection portion 72a, and The exhaust pressure on the other side of the particulate filter, that is, the exhaust pressure in the second connection portion 72b (see FIG. 18) is detected by a pressure sensor disposed in the second connection portion 72b, and the differential pressure between these exhaust pressures. It is determined whether or not the absolute value of becomes greater than or equal to the set pressure difference. Here, the absolute value of the differential pressure is used because it is possible to grasp the increase in the differential pressure regardless of which of the first connection portion 72a and the second connection portion 72b is on the exhaust upstream side. Strictly speaking, this differential pressure also changes depending on the exhaust gas pressure exhausted from the cylinder. Therefore, it is preferable to determine the accumulation of particulates by specifying the engine operating state.
[0088]
In addition to this differential pressure, for example, the change of the electrical resistance value on the predetermined partition wall of the particulate filter is monitored, and when the electrical resistance value becomes lower than the set value due to the accumulation of particulates, the particulate filter The valve body may be switched assuming that a certain amount of particulates is accumulated on the top. Further, the valve body may be switched by utilizing the fact that the light transmittance is lowered or the light reflectance is lowered due to the accumulation of the particulates in the predetermined partition wall of the particulate filter. As described above, by directly determining the accumulation of particulates and switching the valve body, it is possible to prevent the engine output from greatly decreasing more reliably.
[0089]
Further, in order to prevent the accumulation of a large amount of particulates, it is possible to change NO without switching the valve body in this way.XSO of purification catalyst equipmentXIn the poisoning recovery process, the SOXWhen the poisoning recovery process is completed, a blocking position opposite to the starting blocking position may be set.
[0090]
As described above, the present exhaust purification device can reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter with a very simple configuration. In addition, in the particulate filter, a large opening area is required to facilitate the inflow of exhaust gas. However, in the present exhaust purification device, vehicle mountability is deteriorated as shown in FIGS. In addition, a particulate filter having a large opening area can be used.
[0091]
Further, if the atmosphere in the vicinity of the particulate filter is set to a rich air-fuel ratio, that is, if the oxygen concentration in the vicinity atmosphere is lowered, NO.XActive oxygen O is released from the absorbent 61 to the outside at once. With the active oxygen O released at once, the deposited particulates are easily oxidized and easily removed by oxidation.
[0092]
On the other hand, if the ambient atmosphere is maintained at a lean air-fuel ratio, the surface of platinum Pt is covered with oxygen, and so-called oxygen poisoning of platinum Pt occurs. When such oxygen poisoning occurs, NOXNO is reduced due to reduced oxidationXThe absorption efficiency of NO and thus NOXThe amount of active oxygen released from the absorbent 61 is reduced. However, when the air-fuel ratio is made rich, oxygen on the platinum Pt surface is consumed, so that oxygen poisoning is eliminated. Therefore, when the air-fuel ratio is switched again from rich to lean, NO.XNO to increase the oxidation effect onXThe absorption efficiency of NO and thus NOXThe amount of active oxygen released from the absorbent 61 is increased.
[0093]
Accordingly, when the air-fuel ratio is maintained lean, the oxygen poisoning of platinum Pt is eliminated every time the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich, so that active oxygen release when the air-fuel ratio is lean is performed. The amount increases, and thus the oxidation action of the particulates on the particulate filter 70 can be promoted.
[0094]
Furthermore, the elimination of oxygen poisoning is, so to speak, the combustion of the reducing substance, so that the temperature of the particulate filter is raised with heat generation. As a result, the amount of fine particles that can be removed by oxidation in the particulate filter is improved, and the residual and deposited particulates can be easily removed by oxidation. If the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich immediately after switching between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter by the valve body 71a, the other collecting surface in the particulate filter partition wall where no particulates remain is obtained. Since the active oxygen is easily released as compared with one of the collecting surfaces, the remaining particulates on the one collecting surface can be more reliably oxidized and removed by a larger amount of the released active oxygen. Of course, the atmosphere in the vicinity may occasionally be set to a rich air-fuel ratio regardless of the switching of the valve body 71a, and thereby the particulates are difficult to remain and accumulate on the particulate filter.
[0095]
For example, the above-described low-temperature combustion may be performed as a method of making the near atmosphere a rich air-fuel ratio. Of course, when switching from normal combustion to low temperature combustion, or prior to that, the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter may be switched. Further, the combustion air-fuel ratio may be simply made rich in order to make the vicinity atmosphere a rich air-fuel ratio. In addition to normal main fuel injection in the compression stroke, fuel may be injected into the cylinder (post-injection) in the exhaust stroke or expansion stroke by the engine fuel injection valve, or fuel in the cylinder in the intake stroke. May be jetted (bi-rubber jet). Of course, it is not always necessary to provide an interval between the post injection or the big rubber injection and the main fuel injection. It is also possible to supply fuel to the engine exhaust system. NOXNOx carried in the purification catalyst device and the particulate filterXNO from absorbentXIn order to regenerate the exhaust gas, it is necessary to make the ambient atmosphere at least temporarily a rich air-fuel ratio, and this enrichment control is preferably performed after the upstream and downstream sides of the particulate filter are reversed.
[0096]
By the way, calcium Ca in the exhaust gas is SO.3In the presence of calcium sulfate CaSO4Is generated. This calcium sulfate CaSO4Is hardly removed by oxidation and remains as ash on the particulate filter. Therefore, in order to prevent clogging of the particulate filter due to residual calcium sulfate, NOXAs the absorbent 61, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal, such as potassium K, which has a higher ionization tendency than calcium Ca.XSO diffused in the absorbent 613Binds potassium K and potassium sulfate K2SO4Calcium Ca is SO3It passes through the partition wall of the particulate filter without being combined with. Therefore, the particulate filter is not clogged by ash. Thus, as described above, NOXAs the absorbent 61, 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.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the NO.XWhen the stoichiometric or rich air-fuel ratio is absorbed, NOXNO is released and reduced and purifiedXOcclusion reduction catalystOn the particulate collection wallA particulate filter carried and disposed in the engine exhaust system, and a NOx disposed in the engine exhaust system upstream of the particulate filter having an oxidation functionXWith purification catalyst deviceNO X The purification catalyst device is NO when the ambient atmosphere is a lean air-fuel ratio. X When the stoichiometric or rich air-fuel ratio is absorbed, NO X NO is released and reduced and purified X Supports an occlusion reduction catalystBecause of this, NO is insufficient with just a particulate filter.XPurification, NOXIn order for the purification catalyst device to compensate, NO in the exhaust gasXCan be sufficiently purified. NOXThe oxidation function of the purification catalyst device allows the SOF in the exhaust gas to be burned out on the upstream side of the particulate filter, preventing the particulate from growing into a large lump by the SOF on the particulate filter, and the particulate Filter clogging can be suppressed. Also,Control means for setting the inside of the particulate filter to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio is provided, and the control means sets the inside of the particulate filter to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, so that the particulate filter NO. X NO from the storage reduction catalyst X It is possible to release and purify the particulates and to release the active oxygen to oxidize and remove the particulates collected on the particulate collection wall..
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a diesel engine equipped with an exhaust emission control device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of the combustion chamber of FIG.
FIG. 3 is a bottom view of the cylinder head of FIG. 1;
FIG. 4 is a side sectional view of a combustion chamber.
FIG. 5 is a diagram showing intake / exhaust valve lift and fuel injection.
FIG. 6 Smoke and NOXIt is a figure which shows the generation amount of etc.
FIG. 7 is a diagram showing combustion pressure.
FIG. 8 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the amount of smoke generated and the EGR rate.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the amount of injected fuel and the amount of mixed gas.
FIG. 11 is a diagram showing a first operation region I and a second operation region II.
FIG. 12 is a diagram showing an output of an air-fuel ratio sensor.
FIG. 13 is a diagram showing an opening degree of a throttle valve and the like.
14 is a diagram showing an air-fuel ratio in a first operating region I. FIG.
FIG. 15 is a view showing a map of a target opening degree of a throttle valve or the like.
FIG. 16 is a diagram showing an air-fuel ratio in normal combustion.
FIG. 17 is a diagram showing a target opening degree of a throttle valve or the like.
FIG. 18 is a plan view of the vicinity of a switching unit and a particulate filter in an engine exhaust system.
FIG. 19 is a side view of FIG. 18;
FIG. 20 is a view showing another blocking position different from that of FIG. 18 of the valve body in the switching unit.
FIG. 21 is a diagram illustrating an open position of a valve body in a switching unit.
FIG. 22 is a diagram illustrating a structure of a particulate filter.
FIG. 23 NOXIt is a figure for demonstrating the absorption-and-release function of.
FIG. 24: NO per unit timeXIt is a figure which shows the map of absorption amount.
FIG. 25 is a diagram for explaining the oxidizing action of particulates.
FIG. 26 is a diagram showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of the particulate filter.
FIG. 27 is a diagram for explaining the particulate deposition action.
FIG. 28 is a flowchart for preventing accumulation of a large amount of particulates on a particulate filter.
FIG. 29 is an enlarged cross-sectional view of a partition wall of a particulate filter.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
16 ... Throttle valve
71 ... switching part
70 ... Particulate filter
74 ... NOXPurification catalyst device

Claims (4)

近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にNOXを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にNOXを放出して還元浄化するNOX吸蔵還元触媒をパティキュレート捕集壁に担持して機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタと、酸化機能を有して前記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配置されたNOX浄化触媒装置とを具備し、前記NO X 浄化触媒装置は、近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にNO X を吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にNO X を放出して還元浄化するNO X 吸蔵還元触媒を担持し、前記パティキュレートフィルタ内を理論空燃比又はリッチ空燃比とする制御手段が設けられ、前記制御手段によって前記パティキュレートフィルタ内を理論空燃比又はリッチ空燃比とすることにより前記パティキュレートフィルタの前記NO X 吸蔵還元触媒からNO X を放出させて還元浄化すると共に活性酸素を放出させて前記パティキュレート捕集壁に捕集されたパティキュレートを酸化除去することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。Near atmosphere absorbs NO X when the lean air-fuel ratio, the engine carries the NO X storage reduction catalyst to reduce and purify by releasing NO X in collecting particulates wall when the stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio exhaust A particulate filter disposed in the system, and a NO x purification catalyst device having an oxidation function and disposed in the engine exhaust system upstream of the particulate filter , the NO x purification catalyst device being in the vicinity atmosphere absorbs NO X when the lean air-fuel ratio, stoichiometric air-fuel ratio or carrying the NO X storage reduction catalyst to reduce and purify by releasing NO X when the rich air-fuel ratio, stoichiometric air-fuel ratio of the particulate in the filter Alternatively, a control means for making a rich air-fuel ratio is provided. An internal combustion engine characterized in that NO x is released from the NO x storage-reduction catalyst of a curate filter to reduce and purify, and active oxygen is released to oxidize and remove the particulates collected on the particulate collection wall. Exhaust purification equipment. 前記NO浄化触媒装置の下流側で排気ガスが前記パティキュレートフィルタをバイパスすることを可能とするバイパス手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。An exhaust purification system of an internal combustion engine according to claim 1, in the downstream side exhaust gas, characterized by comprising a bypass means which make it possible to bypass the particulate filter of the NO X purification catalyst device. 前記NO浄化触媒装置は、前記NO吸蔵還元触媒を担持し、前記NO浄化触媒装置のSO被毒回復中には、前記バイパス手段を機能させて排気ガス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することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。The NO X purification catalyst device carries the NO X storage reduction catalyst, and during the SO X poisoning recovery of the NO X purification catalyst device, the bypass means functions so that exhaust gas bypasses the particulate filter. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 2, wherein 前記NO浄化触媒装置は、前記NO吸蔵還元触媒を担持し、前記NO浄化触媒装置のSO被毒回復完了直後には、前記バイパス手段を機能させず排気ガスが前記パティキュレートフィルタを通過するようにすることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。The NO X purification catalyst device carries the NO X storage reduction catalyst, and immediately after the SO X poisoning recovery of the NO X purification catalyst device is completed, the bypass means does not function and the exhaust gas passes through the particulate filter. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the exhaust gas purification apparatus is passed.
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