JP3702847B2

JP3702847B2 - 排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3702847B2
Application number: JP2001559985A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤; 俊明田中; 信也広田; 光壱木村; 好一郎中谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: CN1363011A; KR100478739B1; EP1172531B1; DE60111689D1; CA2369651A1; US6786041B2; KR20020002429A; EP1172532A1; CA2369661C; CA2369661A1; EP1172532A4; CN100398789C; ES2240402T3; US6769245B2; DE60111689T2; US20020155039A1; KR100478740B1; AU3231301A; AU3231201A; CA2369651C

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は６００℃程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、６００℃よりもかなり低い。従って排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるのは困難であり、排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるためには微粒子の着火温度を低くしなければならない。
【０００３】
ところで従来よりパティキュレートフィルタ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下できることが知られており、従って従来より微粒子の着火温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレートフィルタが公知である。
例えば特許文献１にはパティキュレートフィルタ上に白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたパティキュレートフィルタが開示されている。このパティキュレートフィルタではほぼ３５０℃から４００℃の比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００４】
ディーゼル機関では負荷が高くなれば排気ガス温が３５０℃から４００℃に達し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火燃焼せしめることができるように見える。しかしながら実際には排気ガス温が３５０℃から４００℃に達しても微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
【０００５】
即ち、排気ガス中に含まれる微粒子量が少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が３５０℃から４００℃になるとパティキュレートフィルタ上の微粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。
しかしながら排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子は燃焼せしめられるが酸素と接触しずらい残りの微粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることになる。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けることになる。
【０００６】
一方、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積するとこれら堆積した微粒子は次第に着火燃焼しずらくなる。このように燃焼しずらくなるのはおそらく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しずらいグラフィイト等に変化するからであると考えられる。事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると３５０℃から４００℃の低温では堆積した微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるためには６００℃以上の高温が必要となる。しかしながらディーゼル機関では通常、排気ガス温が６００℃以上の高温になることがなく、従ってパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によって堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
【０００７】
一方、このとき排気ガス温を６００℃以上の高温にすることができたとすると堆積した微粒子は着火するがこの場合には別の問題を生ずる。即ち、この場合、堆積した微粒子は着火せしめられると輝炎を発して燃焼し、このときパティキュレートフィルタの温度は堆積した微粒子の燃焼が完了するまで長時間に亘り８００℃以上に維持される。しかしながらこのようにパティキュレートフィルタが長時間に亘り８００℃以上の高温にさらされるとパティキュレートフィルタが早期に劣化し、斯くしてパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【０００８】
また、堆積した微粒子が燃焼せしめられるとアッシュが凝縮して大きな塊まりとなり、これらアッシュの塊まりによってパティキュレートフィルタの細孔が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【特許文献１】
特公平７−１０６２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように多量の微粒子が一旦積層状に堆積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、従って排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて多量の微粒子が積層状に堆積しないようにする必要がある。しかしながら上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスについては何ら考えておらず、斯くして上述したように種々の問題を生じることになる。
また、上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタでは排気ガス温が３５０℃以下になると微粒子は着火されず、斯くしてパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積する。この場合、堆積量が少なければ排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が燃焼せしめられるが多量の微粒子が積層状に堆積すると排気ガス温が３５０℃から４００℃になったときに堆積した微粒子が着火せず、たとえ着火したとしても一部の微粒子は燃焼しないために燃え残りが生じる。
この場合、多量の微粒子が積層状に堆積する前に排気ガス温を上昇させれば堆積した微粒子を燃え残ることなく燃焼せしめることができるが上述の公報に記載されたパティキュレートフィルタではこのようなことは何ら考えておらず、斯くして多量の微粒子が積層状に堆積した場合には排気ガス温を６００℃以上に上昇させない限り、堆積した全微粒子を燃焼させることができない。
【００１０】
本発明の目的は、排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において連続的に酸化除去することのできる排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において連続的に酸化除去することができかつ同時に排気ガス中のＮＯ_x を除去することのできる排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出し、該排出微粒子量が算出された上記酸化除去微粒子量を越えたときには上記排出微粒子量が上記酸化除去微粒子量よりも少なくなるように上記排出微粒子量又は上記酸化除去微粒子量の少くとも一方を制御するようにした排気ガス浄化方法が提供される。
【００１２】
更に本発明によれば、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出し、該排出微粒子量が算出された上記酸化除去微粒子量を越えたときには上記排出微粒子量が上記酸化除去微粒子量よりも少くなるように上記排出微粒子量又は上記酸化除去微粒子量の少なくとも一方を制御する制御手段を具備した排気ガス浄化装置が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出する機能を有するパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出し、該排出微粒子量が算出された上記酸化除去微粒子量を越えたときには上記排出微粒子量が上記酸化除去微粒子量よりも少なくなるように上記排出微粒子量又は上記酸化除去微粒子量の少くとも一方を制御するようにした排気ガス浄化方法が提供される。
【００１４】
更に本発明によれば、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出する機能を有するパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出し、該排出微粒子量が算出された上記酸化除去微粒子量を越えたときには上記排出微粒子量が上記酸化除去微粒子量よりも少なくなるように上記排出微粒子量又は上記酸化除去微粒子量の少くとも一方を制御する制御手段を具備した排気ガス浄化装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口はパティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【００１６】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２６内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００１７】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、パティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取付けられ、この温度センサ３９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、および燃料ポンプ２８に接続される。
【００１８】
図２（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を示している。なお、図２（Ａ）において各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求トルクが高くなる。図２（Ａ）に示される要求トルクＴＱは図２（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。本発明による実施例では図２（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【００１９】
図３（Ａ）および（Ｂ）にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図３（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の正面図を示しており、図３（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気ガス流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気ガス流出通路５１とにより構成される。なお、図３（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００２０】
パティキュレートフィルタ２２は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図３（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００２１】
本発明による実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒、および周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されている。
【００２２】
この場合、本発明による実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、および錫Ｓｎ、鉄Ｆｅのような遷移金属から選ばれた少くとも一つが用いられている。
【００２３】
なお、この場合活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いるか、或いはセリウムＣｅを用いることが好ましい。
【００２４】
次にパティキュレートフィルタ２２による排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【００２５】
図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路、燃焼室５および排気通路内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室５内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ₂ となる。従って排気ガス中にはＳＯ₂ が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ₂ を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００２６】
図４（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面および隔壁５４内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図４（Ａ）および（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００２７】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- 又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^- 又はＯ^2-と反応し、ＮＯ₂ となる（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）。次いで生成されたＮＯ₂ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^- の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ₃ ^- は硝酸カリウムＫＮＯ₃ を生成する。
【００２８】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ₂ も含まれており、このＳＯ₂ もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- 又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ₂ は白金Ｐｔの表面でＯ₂ ^- 又はＯ^2-と反応してＳＯ₃ となる。次いで生成されたＳＯ₃ の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ₄ ^2- の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ₂ ＳＯ₄ を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ₃ および硫酸カリウムＫ₂ ＳＯ₄ が生成される。
【００２９】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図４（Ｂ）において６２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００３０】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ₃ がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００３１】
一方、このとき活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ₂ ＳＯ₄ もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ₂ とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ₂ が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ₂ は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００３２】
一方、微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ₃ や硫酸カリウムＫ₂ ＳＯ₄ のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏが微粒子６２に接触すると微粒子６２の酸化作用が促進され、微粒子６２は数分から数１０分の短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられる。このように微粒子６２が酸化せしめられている間に他の微粒子が次から次へとパティキュレートフィルタ２２に付着する。従って実際にはパティキュレートフィルタ２２上には或る程度の量の微粒子が常時堆積しており、この堆積している微粒子のうちの一部の微粒子が酸化除去せしめられることになる。このようにしてパティキュレートフィルタ２２上に付着した微粒子６２が輝炎を発することなく連続燃焼せしめられる。
【００３３】
なお、ＮＯ_x は酸素原子の結合および分離を繰返しつつ活性酸素放出剤６１内において硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。微粒子６２はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、このようにパティキュレートフィルタ２２上に付着した微粒子６２は活性酸素Ｏによって酸化せしめられるがこれら微粒子６２は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【００３４】
パティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２２が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、従ってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００３５】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると本発明ではかなり低い温度でもって微粒子６２が酸化除去せしめられている。従って本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００３６】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。また当然のことながら微粒子は微粒子自身の温度が高いほど酸化除去されやすくなる。従ってパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００３７】
図６の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示しており、図６の横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。なお、図６は単位時間を１秒とした場合の、即ち１秒当りの酸化除去可能微粒子量Ｇを示しているがこの単位時間としては１分、１０分等任意の時間を採用することができる。例えば単位時間として１０分を用いた場合には単位時間当りの酸化除去可能微粒子量Ｇは１０分間当りの酸化除去可能微粒子量Ｇを表すことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇは図６に示されるようにパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００３８】
さて、単位時間当りに燃焼室５から排出される微粒子の量を排出微粒子量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが同じ単位時間当りに酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、例えば１秒当りの排出微粒子量Ｍが１秒当りの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、或いは１０分当りの排出微粒子量Ｍが１０分当りの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、即ち図６の領域Ｉでは燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２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。
【００３９】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、即ち図６の領域IIでは全ての微粒子を順次酸化するには活性酸素量が不足している。図５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
【００４０】
即ち、全ての微粒子を順次酸化するには活性酸素量が不足している場合には図５（Ａ）に示すように微粒子６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図５（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われるようになる。
【００４１】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ₂ の酸化作用および活性酸素放出剤６１からの活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図５（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分６３の上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出剤６１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子６４上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２２上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００４２】
このように図６の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図６の領域IIでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くしておく必要がある。
【００４３】
図６からわかるように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２２ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、従って図１に示す圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持することが可能である。従って本発明による実施例においては基本的に排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持するようにしている。
【００４４】
このように排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持するとパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積しなくなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。
【００４５】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温でもって行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積しないのでアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００４６】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ₄ によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ₃ が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ₄ を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ₄ は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ₄ が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ₄ によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００４７】
しかしながらこの場合、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ₃ はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ₂ ＳＯ₄ を形成し、カルシウムＣａはＳＯ₃ と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【００４８】
さて、本発明による実施例では基本的に全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように維持している。しかしながら実際にはこのように全ての運転状態において排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くなるように維持するようにしていても機関の運転状態の急激な変化等の何らの理由によって排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる場合がある。このように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなると前述したようにパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。
【００４９】
このとき、排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続すると前述したように微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積してしまう。しかしながらこのように酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめているときに、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Ｏによって輝炎を発することなく酸化除去される。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより多くなったとしても微粒子が積層状に堆積する前に排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくすれば微粒子が積層状に堆積することがなくなる。
【００５０】
そこで本発明による実施例では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなったときには排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにしている。
【００５１】
なお、このように排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなったときには排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにしていても何らかの理由によりパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。ところがこのような場合であっても排気ガスの一部又は全体の空燃比が一時的にリッチにされるとパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化せしめられる。即ち、排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく短時間で燃焼除去せしめられる。
【００５２】
一方、空燃比がリーンに維持されていると白金Ｐｔの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ｐｔの酸素被毒が生ずる。このような酸素被毒が生ずるとＮＯ_x に対する酸化作用が低下するためにＮＯ_x の吸収効率が低下し、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Ｐｔ表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比がリッチからリーンに切換えられるとＮＯ_x に対する酸化作用が強まるためにＮＯ_x の吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。
【００５３】
従って空燃比がリーンに維持されているときに空燃比を時折リーンからリッチに切換えるとその都度白金Ｐｔの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンであるときの活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ２２上における微粒子の酸化作用を促進することができる。
【００５４】
また、セリウムＣｅは空燃比がリーンのときには酸素を取込み（Ｃｅ₂Ｏ₃→２ＣｅＯ₂ ）、空燃比がリッチになると活性酸素を放出する（２ＣｅＯ₂→ＣｅＯ₃）機能を有する。従って活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅを用いると空燃比がリーンのときにはパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が付着すると活性酸素放出剤６１から放出された活性酸素によって微粒子が酸化され、空燃比がリッチになると活性酸素放出剤６１から多量の活性酸素が放出されるために微粒子が酸化される。従って活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅを用いた場合にも空燃比を時折リーンからリッチに切換えるとパティキュレートフィルタ２２上における微粒子の酸化反応を促進することができる。
【００５５】
さて、図６においては酸化除去可能微粒子量Ｇがパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦのみの関数として示されているがこの酸化除去可能微粒子量Ｇは実際には排気ガス中の酸素濃度、排気ガス中のＮＯ_x 濃度、排気ガス中の未燃ＨＣ濃度、微粒子の酸化のしやすさの程度、パティキュレートフィルタ２２内における排気ガス流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもある。従って酸化除去可能微粒子量Ｇはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを含む上述の全ての因子の影響を考慮に入れて算出することが好ましい。
【００５６】
しかしながらこれら因子のうちで酸化除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるのはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦであり、比較的大きな影響を与えるのは排気ガス中の酸素濃度とＮＯ_x 濃度である。図７（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦおよび排気ガス中の酸素が変化したときの酸化除去可能微粒子量Ｇの変化を示しており、図７（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦおよび排気ガス中のＮＯ_x 濃度が変化したときの酸化除去可能微粒子量Ｇの変化を示している。なお、図７（Ａ）および（Ｂ）において破線は排気ガス中の酸素濃度およびＮＯ_x 濃度が基準値であるときを示しており、図７（Ａ）において〔Ｏ₂ 〕₁ は基準値よりも排気ガス中の酸素濃度が高いとき、〔Ｏ₂ 〕₂ は〔Ｏ₂ 〕₁ よりも更に酸化濃度が高いときを夫々示しており、図７（Ｂ）において〔ＮＯ〕₁ は基準値よりも排気ガス中のＮＯ_x 濃度が高いとき、〔ＮＯ〕₂ は〔ＮＯ〕₁ よりも更にＮＯ_x 濃度が高いときを夫々示している。
【００５７】
排気ガス中の酸素濃度が高くなるとそれだけでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが活性酸素放出剤６１内に取込まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素も増大する。従って図７（Ａ）に示されるように排気ガス中の酸素濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大する。
【００５８】
一方、排気ガス中のＮＯは前述したように白金Ｐｔの表面上において酸化されてＮＯ₂ となる。このようにして生成されたＮＯ₂ の一部は活性酸素放出剤６１内に吸収され、残りのＮＯ₂ は白金Ｐｔの表面から外部に離脱する。このとき微粒子はＮＯ₂ と接触すると酸化反応が促進され、従って図７（Ｂ）に示されるように排気ガス中のＮＯ_x 濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大する。ただし、このＮＯ₂ による微粒子の酸化促進作用は排気ガス温がほぼ２５０℃からほぼ４５０℃の間でしか生じないので図７（Ｂ）に示されるように排気ガス中のＮＯ_x 濃度が高くなるとパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがほぼ２５０℃から４５０℃の間のときに酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【００５９】
前述したように酸化除去可能微粒子量Ｇは酸化除去可能微粒子量Ｇに影響を与える全ての因子を考慮に入れて算出することが好ましい。しかしながら本発明による実施例ではこれら因子のうちで酸化除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦと、比較的大きな影響を与える排気ガス中の酸素濃度およびＮＯ_x 濃度のみに基づいて酸化除去可能微粒子量Ｇを算出するようにしている。
【００６０】
即ち、本発明による実施例では図８（Ａ）から（Ｆ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２の各温度ＴＦ（２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃）における酸化除去可能微粒子量Ｇが夫々排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕と排気ガス中のＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、各パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦ、酸化濃度〔Ｏ₂ 〕およびＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕に応じた酸化除去可能微粒子量Ｇが図８（Ａ）から（Ｆ）に示されるマップから比例配分により算出される。
【００６１】
なお、排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕およびＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕は酸素濃度センサおよびＮＯ_x 濃度センサを用いて検出することができる。しかしながら本発明による実施例では排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕が要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、排気ガス中のＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕も要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、これらのマップから排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕およびＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕が算出される。
【００６２】
一方、排出微粒子量Ｍは機関の型式によって変化するが機関の型式が定まると要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数となる。図１０（Ａ）は図１に示される内燃機関の排出微粒子量Ｍを示しており、各曲線Ｍ₁ ，Ｍ₂ ，Ｍ₃ ，Ｍ₄ ，Ｍ₅ は等排出微粒子量（Ｍ₁ ＜Ｍ₂ ＜Ｍ₃ ＜Ｍ₄ ＜Ｍ₅ ）を示している。図１０（Ａ）に示される例では要求トルクＴＱが高くなるほど排出微粒子量Ｍが増大する。なお、図１０（Ａ）に示される排出微粒子量Ｍは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１０（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６３】
前述したように本発明による実施例では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇを越えたときには排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように排出微粒子量Ｍ又は酸化除去可能微粒子量Ｇの少くとも一方が制御される。
【００６４】
なお、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより多少多くてもパティキュレートフィルタ２２上に堆積する微粒子量はさほど多くない。従って排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇに小さな一定値αを加算した許容量（Ｇ＋α）よりも大きくなったときに排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように排出微粒子量Ｍおよび酸化除去可能微粒子量Ｇの少くとも一方を制御するようにしてもよい。
【００６５】
次に図１１を参照しつつ運転制御方法について説明する。
図１１を参照するとまず初めにステップ１００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ１０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ１０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ１０３では図１０（Ｂ）に示されるマップから排出微粒子量Ｍが算出される。次いでステップ１０４では図８（Ａ）から（Ｆ）に示されるマップからパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦ、排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕および排気ガス中のＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕に応じた酸化除去可能微粒子量Ｇが算出される。
【００６６】
次いでステップ１０５では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも大きくなったことを示すフラグがセットされているか否かが判別される。フラグがセットされていないときにはステップ１０６に進んで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも大きくなったか否かが判別される。Ｍ≦Ｇのとき、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｍと同じか、又は酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないときには処理サイクルを完了する。
【００６７】
これに対してステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されたとき、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなったときにはステップ１０７に進んでフラグがセットされ、次いでステップ１０８に進む。フラグがセットされるとその後の処理サイクルではステップ１０５からステップ１０８にジャンプする。
【００６８】
ステップ１０８では排出微粒子量Ｍと、酸化除去可能微粒子量Ｇから一定値βを差引いた制御解除値（Ｇ−β）とが比較される。Ｍ≧Ｇ−βのとき、即ち排出微粒子量Ｍが制御解除値（Ｇ−β）よりも大きいときにはステップ１０９に進んでパティキュレートフィルタ２２において微粒子の連続酸化作用を続行するための制御が行われる。即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるように排出微粒子量Ｍおよび酸化除去可能微粒子量Ｇの少くとも一方が制御される。
【００６９】
次いでステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βになったと判断されると、即ち排出微粒子量Ｍが制御解除値（Ｇ−β）よりも少なくなるとステップ１１０に進んで元の運転状態に徐々に復帰する制御が行われ、フラグがリセットされる。
【００７０】
図１１のステップ１０９において行われる連続酸化続行制御および図１１のステップ１１０において行われる復帰制御は種々のやり方があり、従って次にこれら連続酸化続行制御および復帰制御の種々のやり方について順次説明する。
【００７１】
Ｍ＞Ｇとなったときに排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくする方法の一つはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させる方法である。そこでまず初めにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させる方法について説明する。
【００７２】
パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上死点以後まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑ_m は図１２において（Ｉ）に示されるように圧縮上死点付近で噴射される。この場合、図１２の（II）に示されるように主燃料Ｑ_m の噴射時期が遅角されると後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気ガス温が高くなるとそれに伴ってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが高くなり、その結果Ｍ＜Ｇの状態となる。
【００７３】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１２の（III)に示されるように主燃料Ｑ_m に加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_v を噴射することもできる。このように補助燃料Ｑ_v を追加的に噴射すると補助燃料Ｑ_v 分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇する。
【００７４】
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_v を噴射すると圧縮行程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑ_v からアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑ_m の反応が加速される。従ってこの場合には図１２の（III)に示されるように主燃料Ｑ_m の噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Ｑ_m の噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス温はかなり高くなり、斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦをすみやかに上昇させることができる。
【００７５】
また、パティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるために図１２の（IV）に示されるように主燃料Ｑ_m に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Ｑ_p を噴射することもできる。即ち、この場合、大部分の補助燃料Ｑ_p は燃焼することなく未燃ＨＣの形で排気通路内に排出される。この未燃ＨＣはパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。
【００７６】
これまで説明した例ではたとえば図１２の（Ｉ）に示されるように主燃料Ｑ_m が噴射されているときに図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇになったと判断されると図１１のステップ１０９において図１２の（II）又は（III)又は（IV）に示されるように噴射制御される。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βになったと判断されるとステップ１１０において図１２の（Ｉ）に示す噴射方法に復帰するための制御が行われる。
【００７７】
次にＭ＜Ｇの状態にするために低温燃焼を用いる方法について説明する。
即ち、ＥＧＲ率を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下することが知られている。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示す図１３を参照しつつ説明する。なお、図１３において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００７８】
図１３の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図１３の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。また、図１３の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近でスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。
【００７９】
このようにＥＧＲガス率を５５パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
【００８０】
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつＮＯ_x の発生量を低減することができるという特徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときＮＯ_x も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、ＮＯ_x も極めて少量しか発生しない。
【００８１】
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。このことについて図１４（Ａ）および（Ｂ）を参照しつつ説明する。
図１４（Ａ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示しており、図１４（Ａ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示している。また、図１４（Ｂ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示しており、図１４（Ｂ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示している。
【００８２】
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてＥＧＲガス量が多く、従って図１４（Ａ）に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮工程中は実線で示す低温燃焼時における平均ガス温Ｔｇのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガス温Ｔｇよりも高くなっている。なお、このとき図１４（Ｂ）に示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは平均ガス温Ｔｇとほぼ同じ温度になっている。
【００８３】
次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図１４（Ｂ）の実線が示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図１４（Ｂ）の破線で示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合の方が低くなっており、従って図１４（Ａ）に示されるように圧縮上死点付近における燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図１４（Ａ）に示されるように燃焼が完了した後の燃焼室５内の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガス温が高くなる。
【００８４】
このように低温燃焼が行われるとスモークの発生量、即ち排出微粒子量Ｍが少なくなり、排気ガス温が上昇する。従ってＭ＞Ｇとなったときに通常の燃焼から低温燃焼に切換えると排出微粒子量Ｍは減少し、しかもパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇して酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するので容易にＭ＜Ｇの状態にすることができる。この低温燃焼を用いる場合には図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判断されるとステップ１０９において低温燃焼に切換えられ、次いでステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０において通常の燃焼に切換えられる。
【００８５】
次にＭ＜Ｇの状態にするためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１５はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１５を参照するとこの内燃機関では排気管２０内に炭化水素供給装置７０が配置されている。この方法では図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９において炭化水素供給装置７０から排気管２０内に炭化水素が供給される。この炭化水素はパティキュレートフィルタ２２上において過剰酸素により酸化せしめられ、このときの酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇せしめられる。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０において炭化水素供給装置７０からの炭化水素の供給が停止される。なお、この炭化水素供給装置７０はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこに配置してもよい。
【００８６】
次にＭ＜Ｇの状態にするためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１６はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１６を参照するとこの内燃機関ではパティキュレートフィルタ２２下流の排気管７１内にアクチュエータ７２により駆動される排気制御弁７３が配置されている。
【００８７】
この方法では図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９において排気制御弁７３がほぼ全閉とされ、排気制御弁７３をほぼ全閉にすることによる機関出力トルクの低下を阻止するために主燃料Ｑ_m の噴射量が増大せしめられる。排気制御弁７３をほぼ全閉にすると排気制御弁７３上流の排気通路内の圧力、即ち背圧が上昇する。背圧が上昇すると燃焼室５内から排気ガスが排気ポート１０内に排出されるときに排気ガスの圧力がさほど低下せず、従って温度もさほど低下しなくなる。しかもこのとき主燃料Ｑ_m の噴射量が増大せしめられているので燃焼室５内の既燃ガス温が高くなっており、従って排気ポート１０内に排出された排気ガスの温度はかなり高くなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２の温度が急速に上昇せしめられる。
【００８８】
次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０において排気制御弁７３が全開せしめられ、主燃料Ｑ_m の噴射量の増量作用が停止される。
【００８９】
次にＭ＜Ｇの状態にするためにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための更に別の方法について説明する。図１７はこの方法を実行するのに適した内燃機関を示している。図１７を参照するとこの内燃機関では排気タービン２１を迂回する排気バイパス通路７４内にアクチュエータ７５により制御されるウェストゲートバルブ７６が配置されている。このアクチュエータ７５は通常サージタンク１２内の圧力、即ち過給圧に応動して過給圧が一定圧以上にならないようにウェストゲートバルブ７６の開度を制御している。
【００９０】
この方法では図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９においてウェストゲートバルブ７６が全開せしめられる。排気ガスは排気タービン２１を通過すると温度低下するがウェストゲートバルブ７６を全開にすると大部分の排気ガスは排気バイパス通路７４内を流れるために温度低下しなくなる。斯くしてパティキュレートフィルタ２２の温度が上昇することになる。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０においてウェストゲートバルブ７６が閉弁せしめられ、過給圧が一定圧を越えないようにウェストゲートバルブ７６の開度が制御される。
【００９１】
次にＭ＜Ｇの状態にするために排出微粒子量Ｍを低下させる方法について説明する。即ち、噴射燃料と空気とが十分に混合すればするほど、即ち、噴射燃料周りの空気量が多くなればなるほど噴射燃料は良好に燃焼せしめられるので微粒子は発生しなくなる。従って排出微粒子量Ｍを低下させるには噴射燃料と空気とがより一層十分に混合するようにしてやればよいことになる。ただし、噴射燃料と空気との混合をよくすると燃焼が活発になるためにＮＯ_x の発生量が増大する。従って排出微粒子量Ｍを低下させる方法は、別の言い方をするとＮＯ_x の発生量を増大させる方法と言える。
【００９２】
いずれにしても排出微粒子量ＰＭを低下させる方法も種々の方法があり、従ってこれら方法について順次説明する。
排出微粒子量ＰＭを低下させる方法として前述した低温燃焼を用いることもできるがその他の有効な方法としては燃料噴射を制御する方法が挙げられる。例えば燃料噴射量を低下させると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。
【００９３】
また、噴射時期を進角すると噴射燃料周りに十分な空気が存在するようになり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、コモンレール２７内の燃料圧、即ち噴射圧を高めると噴射燃料が分散するので噴射燃料と空気との混合が良好となり、斯くして排出微粒子量Ｍが低減する。また、主燃料Ｑ_m の噴射直前の圧縮行程末期に補助燃料を噴射するようにしている場合、いわゆるパイロット噴射を行っている場合には補助燃料の燃焼により酸素が消費されるために主燃料Ｑ_m 周りの空気が不十分となる。従ってこの場合にはパイロット噴射を停止することによって排出微粒子量Ｍが低減する。
【００９４】
即ち、燃料噴射を制御することによって排出微粒子量Ｍを低減するようにした場合には図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９において燃料噴射量が低下せしめられるか、又は燃料噴射時期が進角されるか、又は噴射圧が高められるか、又はパイロット噴射が停止され、それによって排出微粒子量Ｍが低減せしめられる。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０において元の燃料噴射状態に復帰せしめられる。
【００９５】
次にＭ＜Ｇにするために排出微粒子量Ｍを低減するための別の方法について説明する。この方法では図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９においてＥＧＲ率を低下させるためにＥＧＲ制御弁２５の開度が低下せしめられる。ＥＧＲ率が低下すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０においてＥＧＲ率が元のＥＧＲ率まで上昇せしめられる。
【００９６】
次にＭ＜Ｇにするために排出微粒子量Ｍを低減するための更に別の方法について説明する。この方法では図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９において過給圧を増大するためにウェストゲートバルブ７６（図１７）の開度が減少せしめられる。過給圧が増大すると噴射燃料周りの空気量が増大し、斯くして排出微粒子量Ｍが減少する。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０において過給圧が元の過給圧に戻される。
【００９７】
次にＭ＜Ｇにするために排気ガス中の酸素濃度を増大させる方法について説明する。排気ガス中の酸素濃度が増大するとそれだけでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが更に活性酸素放出剤６１内に取込まれる酸素量が増大するので活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素量が増大し、斯くして酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【００９８】
この方法を実行するための方法としてはＥＧＲ率を制御する方法が挙げられる。即ち、図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９においてＥＧＲ率が低下するようにＥＧＲ制御弁２５の開度が減少せしめられる。ＥＧＲ率が低下するということは吸入空気中における吸入空気量の割合が増大することを意味しており、斯くしてＥＧＲ率が低下すると排気ガス中の酸素濃度が上昇する。その結果、酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。また、ＥＧＲ率が低下すると前述したように排出微粒子量Ｍが減少する。従ってＥＧＲ率が低下すると急速にＭ＜Ｇとなる。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０においてＥＧＲ率が元のＥＧＲ率に戻される。
【００９９】
次に排気ガス中の酸素濃度を増大させるために２次空気を用いる方法について説明する。図１８に示す例では排気タービン２１とパティキュレートフィルタ２２との間の排気管７７が２次空気供給導管７８を介して吸気ダクト１３に連結され、２次空気供給導管７８内に供給制御弁７９が配置される。また、図１９に示す例では２次空気供給導管７８が機関駆動のエアポンプ８０に連結されている。なお、排気通路内への２次空気の供給位置はパティキュレートフィルタ２２と排気ポート１０との間であればどこでもよい。
【０１００】
図１８又は図１９に示す内燃機関においては図１１のステップ１０６においてＭ＞Ｇであると判別されるとステップ１０９において供給制御弁７９が開弁せしめられる。その結果、２次空気供給導管７８から排気管７７に２次空気が供給され、斯くして排気ガス中の酸素濃度が増大せしめられる。次いで図１１のステップ１０８においてＭ＜Ｇ−βであると判断されるとステップ１１０において供給制御弁７９が閉弁せしめられる。
【０１０１】
次にパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当り酸化せしめられる酸化除去微粒子量ＧＧを逐次算出し、排出微粒子量Ｍが算出された酸化除去微粒子量ＧＧを越えたときにはＭ＜ＧＧとなるように排出微粒子量Ｍ又は酸化除去可能微粒子量Ｇの少くともいずれか一方を制御するようにした実施例について説明する。
【０１０２】
前述したように微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に付着するとこの微粒子は短時間のうちに酸化せしめられるがこの微粒子が完全に酸化除去せしめられる前に他の微粒子が次から次へとパティキュレートフィルタ２２に付着する。従って実際にはパティキュレートフィルタ２２上には或る程度の量の微粒子が常時堆積しており、この堆積している微粒子のうちの一部の微粒子が酸化除去せしめられる。この場合、単位時間当りに酸化除去せしめられる微粒子ＧＧが排出微粒子量Ｍと同じであれば排気ガス中の全微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において酸化除去せしめられる。しかしながら排出微粒子量Ｍが単位時間当りに酸化除去せしめられる微粒子量ＧＧ量よりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上の堆積微粒子量は次第に増大し、ついには微粒子が積層状に堆積して低い温度では着火しえなくなる。
【０１０３】
このように排出微粒子量Ｍが酸化除去微粒子量ＧＧと同じか又は酸化除去微粒子量ＧＧよりも少なければ排気ガス中の全微粒子をパティキュレートフィルタ２２上において酸化除去せしめることができる。従ってこの実施例では排出微粒子量Ｍが酸化除去微粒子量ＧＧを越えたときにはＭ＜ＧＧとなるようにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦや排出微粒子量Ｍ等を制御するようにしている。
【０１０４】
ところで酸化除去微粒子量ＧＧは次式のように表すことができる。
ＧＧ（ｇ／ｓｅｃ）＝Ｃ・ＥＸＰ（−Ｅ／ＲＴ）・〔ＰＭ〕^l ・（〔Ｏ₂ 〕^m ＋〔ＮＯ〕ⁿ ）
ここでＣは定数、Ｅは活性化エネルギ、Ｒはガス定数、Ｔはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦ、〔ＰＭ〕はパティキュレートフィルタ２２上における微粒子の堆積濃度(mol／cm² ）、〔Ｏ₂ 〕は排気ガス中の酸素濃度、〔ＮＯ〕は排気ガス中のＮＯ_x 濃度を夫々示している。
【０１０５】
なお、酸化除去微粒子量ＧＧは実際には、排気ガス中の未燃ＨＣ濃度、微粒子の酸化のしやすさの程度、パティキュレートフィルタ２２内における排気ガス流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもあるがここではこれらの影響を考えないこととする。
【０１０６】
上式からわかるように酸化除去微粒子量ＧＧはパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが上昇すると指数関数的に増大する。また、微粒子の堆積濃度〔ＰＭ〕が増大すれば酸化除去される微粒子が増大するので「ＰＭ〕が増大するほど酸化除去微粒子量ＧＧは増大する。しかしながら微粒子の堆積濃度〔ＰＭ〕が高くなるほど酸化しずらい位置に堆積する微粒子量が増大するので酸化除去微粒子量ＧＧの増大率は次第に減少する。従って微粒子の堆積濃度〔ＰＭ〕と上式中の〔ＰＭ〕^l との関係は図２０（Ａ）に示されるようになる。
【０１０７】
一方、排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕が高くなれば前述したようにそれだけでも酸化除去微粒子量ＧＧは増大するが更に活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素量が増大する。従って排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕が高くなるとそれに比例して酸化除去微粒子量ＧＧは増大し、斯くして排気ガス中の酸素濃度〔Ｏ₂ 〕と上式中の〔Ｏ₂ 〕^m との関係は図２０（Ｂ）に示されるようになる。
【０１０８】
一方、排気ガス中のＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕が高くなると前述したようにＮＯ₂ の発生量が増大するので酸化除去微粒子量ＧＧは増大する。しかしながらＮＯからＮＯ₂ への変換は前述したように排気ガス温がほぼ２５０℃からほぼ４５０℃の間でしか生じない。従って排気ガス中のＮＯ_x 濃度〔ＮＯ〕と上式中の〔ＮＯ〕ⁿ との関係は、排気ガス温がほぼ２５０℃から４５０℃の間のときには図２０（Ｃ）の実線〔ＮＯ〕ⁿ ₁ で示されるように〔ＮＯ〕が増大するにつれて〔ＮＯ〕ⁿ が増大するが、排気ガス温がほぼ２５０℃以下又はほぼ４５０℃以上では図２０（Ｃ）の実線〔ＮＯ〕ⁿ ₀ で示されるように〔ＮＯ〕にかかわらずに〔ＮＯ〕ⁿ ₀ はほぼ零となる。
【０１０９】
この実施例では一定時間経過する毎に上式に基づいて酸化除去微粒子量ＧＧが算出される。このとき堆積している微粒子量をＰＭ（ｇ）とするとこの微粒子のうち酸素除去微粒子量ＧＧに相当する微粒子が除去され、新たに排出微粒子量Ｍに相当する微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に付着する。従って最終的な微粒子の堆積量は次式で表されることになる。
ＰＭ＋Ｍ−ＧＧ
【０１１０】
次に図２１を参照しつつ運転制御方法について説明する。
図２１を参照するとまず初めにステップ２００においてスロットル弁１７の開度が制御され、次いでステップ２０１ではＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。次いでステップ２０２では燃料噴射弁６からの噴射制御が行われる。次いでステップ１０３では図１０（Ｂ）に示されるマップから排出微粒子量Ｍが算出される。次いでステップ２０４では次式に基づいて酸化除去微粒子量ＧＧが算出される。
【０１１１】
ＧＧ＝Ｃ・ＥＸＰ（−Ｅ／ＲＴ）・〔ＰＭ〕^l ・（〔Ｏ₂ 〕^m ＋〔ＮＯ〕ⁿ ）
次いでステップ２０５では次式に基づいて最終的な微粒子の堆積量ＰＭが算出される。
ＰＭ←ＰＭ＋Ｍ−ＧＧ
次いでステップ２０６では排出微粒子量Ｍが酸化除去微粒子量ＧＧよりも大きくなったことを示すフラグがセットされているか否かが判別される。フラグがセットされていないときにはステップ２０７に進んで排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量ＧＧよりも大きくなったか否かが判別される。Ｍ≦ＧＧとき、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去微粒子量ＧＧよりも少ないときには処理サイクルを完了する。
【０１１２】
これに対してステップ２０７においてＭ＞ＧＧであると判別されたとき、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去微粒子量ＧＧよりも多くなったときにはステップ２０８に進んでフラグがセットされ、次いでステップ２０９に進む。フラグがセットされるとその後の処理サイクルではステップ２０６からステップ２０９にジャンプする。
ステップ２０９では排出微粒子量Ｍと、酸化除去微粒子量ＧＧから一定値βを差引いた制御解除値（ＧＧ−β）とが比較される。Ｍ≧ＧＧ−βのとき、即ち排出微粒子量Ｍが制御解除値（ＧＧ−β）よりも大きいときにはステップ２１０に進んでパティキュレートフィルタ２２において微粒子の連続酸化作用を続行するための制御、即ち前述したようにパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを上昇させるための制御、又は排出微粒子量Ｍを低下させるための制御、又は排気ガス中の酸素濃度を高めるための制御が行われる。
【０１１３】
次いでステップ２０９においてＭ＜ＧＧ−βになったと判断されると、即ち排出微粒子量Ｍが制御解除値（ＧＧ−β）よりも少なくなるとステップ２１１に進んで元の運転状態に徐々に復帰する制御が行われ、フラグがリセットされる。
【０１１４】
さて、これまで述べた実施例ではパティキュレートフィルタ２２の各隔壁５４の両側面上および隔壁５４内の細孔内壁面上に例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒および活性酸素放出剤が担持されている。この場合、この担体上にパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出するＮＯ_x 吸収剤を担持させることもできる。
【０１１５】
この場合、貴金属としては前述したように白金Ｐｔが用いられ、ＮＯ_x 吸収剤としてはカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つが用いられる。なお、前述した活性酸素放出剤を構成する金属と比較すればわかるようにＮＯ_x 吸収剤を構成する金属と、活性酸素放出剤を構成する金属とは大部分が一致している。
【０１１６】
この場合、ＮＯ_x 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。ＮＯ_x 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合にはＮＯ_x 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになる。
次に貴金属触媒として白金Ｐｔを用い、ＮＯ_x 吸収剤としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＮＯ_x の吸放出作用について説明する。
【０１１７】
まず初めにＮＯ_x の吸収作用について検討するとＮＯ_x は図４（Ａ）に示すメカニズムと同じメカニズムでもってＮＯ_x 吸収剤に吸収される。ただし、この場合図４（Ａ）において符号６１はＮＯ_x 吸収剤を示す。
【０１１８】
即ち、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図４（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- 又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^- 又はＯ^2-と反応し、ＮＯ₂ となる（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）。次いで生成されたＮＯ₂ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯ_x 吸収剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^- の形でＮＯ_x 吸収剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ₃ ^- は硝酸カリウムＫＮＯ₃ を生成する。このようにしてＮＯがＮＯ_x 吸収剤６１内に吸収される。
【０１１９】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスがリッチになると硝酸イオンＮＯ₃ ^- は酸素とＯとＮＯに分解され、次から次へとＮＯ_x 吸収剤６１からＮＯが放出される。従ってパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると短時間のうちにＮＯ_x 吸収剤６１からＮＯが放出され、しかもこの放出されたＮＯが還元されるために大気中にＮＯが排出されることはない。
【０１２０】
なお、この場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしてもＮＯ_x 吸収剤６１からＮＯが放出される。しかしながらこの場合にはＮＯ_x 吸収剤６１からＮＯが徐々にしか放出されないためにＮＯ_x 吸収剤６１に吸収されている全ＮＯ_x を放出させるには若干長い時間を要する。
【０１２１】
ところで前述したようにＮＯ_x 吸収剤および活性酸素放出剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、ＮＯ_x 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いることもできる。ＮＯ_x 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いた場合には前述したようにＮＯ_x 吸収剤としての機能と活性酸素放出剤としての機能との双方の機能を同時に果すことになり、このように双方の機能を同時に果すものを以下、活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤と称する。この場合には図４（Ａ）における符号６１は活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤を示すことになる。
【０１２２】
このような活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤６１を用いた場合、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯは活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤６１に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤６１に付着するとこの微粒子は活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤６１から放出される活性酸素等によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。従ってこのとき排気ガス中の微粒子およびＮＯ_x の双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【０１２３】
一方、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤６１からＮＯが放出される。このＮＯは未燃ＨＣ，ＣＯにより還元され、斯くしてこのときにもＮＯが大気中に排出されることがない。また、このときパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積していた場合にはこの微粒子は活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤６１から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【０１２４】
なお、ＮＯ_x 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤が用いられた場合にはＮＯ_x 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤のＮＯ_x 吸収能力が飽和する前に、ＮＯ_x 吸収剤又は活性酸素放出・ＮＯ_x 吸収剤からＮＯ_x を放出するためにパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされる。即ち、リーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに時折空燃比が一時的にリッチにされる。
【０１２５】
また、本発明はパティキュレートフィルタ２２の両側面上に形成された担体の層上に白金Ｐｔのような貴金属のみを担持した場合にも適用することができる。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図５に示す実線に比べて若干右側に移動する。この場合には白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ₂ 又はＳＯ₃ から活性酸素が放出される。
【０１２６】
また、活性酸素放出剤としてＮＯ₂ 又はＳＯ₃ を吸着保持し、これら吸着されたＮＯ₂ 又はＳＯ₃ から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
更に本発明は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に酸化触媒を配置してこの酸化触媒により排気ガス中のＮＯをＮＯ₂ に変換し、このＮＯ₂ とパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子とを反応させてこのＮＯ₂ により微粒子を酸化するようにした排気ガス浄化装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】機関の要求トルクを示す図である。
【図３】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図４】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図５】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図６】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図７】酸化除去可能微粒子量を示す図である。
【図８】酸化除去可能微粒子量Ｇのマップを示す図である。
【図９】排気ガス中の酸素濃度およびＮＯ_x 濃度のマップを示す図である。
【図１０】排出微粒子量を示す図である。
【図１１】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図１２】噴射制御を説明するための図である。
【図１３】スモークの発生量を示す図である。
【図１４】燃焼室内のガス温等を示す図である。
【図１５】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図１６】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１７】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１８】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１９】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２０】微粒子の堆積濃度等を示す図である。
【図２１】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２８】
１機関本体
５燃焼室
６燃料噴射弁
１２サージタンク
１４ターボチャージャ
１７スロットル弁
１９排気マニホルド
２２パティキュレートフィルタ
２５ＥＧＲ制御弁

Claims

燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出し、該排出微粒子量が算出された該酸化除去微粒子量を越えたときには該排出微粒子量が該酸化除去微粒子量よりも少なくなるように該排出微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御するようにした排気ガス浄化方法。
パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項２に記載の排気ガス浄化方法。
上記活性酸素放出剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる請求項３に記載の排気ガス浄化方法。
上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる請求項４に記載の排気ガス浄化方法。
上記活性酸素放出剤は、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出する機能を有している請求項３に記載の排気ガス浄化方法。
該酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温度の関数である請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
該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に加え、排気ガス中の酸素濃度又はＮＯ_x 濃度の少くとも一つの関数である請求項７に記載の排気ガス浄化方法。
該酸化除去可能微粒子量が少くともパティキュレートフィルタの温度の関数として予め記憶されている請求項７に記載の排気ガス浄化方法。
該排出微粒子量が該酸化除去可能微粒子量を予め定められた量以上越えたときには該排出微粒子量が該酸化除去可能微粒子量よりも少なくなるように排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御するようにした請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
パティキュレートフィルタの温度を上昇させることにより該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少なくするようにした請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
該排出微粒子量を減少させることにより該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少なくするようにした請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
排気ガス中の酸素濃度を高めることにより該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少なくするようにした請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出する機能を有するパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出し、該排出微粒子量が算出された該酸化除去微粒子量を越えたときには該排出微粒子量が該酸化除去微粒子量よりも少なくなるように該排出微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御するようにした排気ガス浄化方法。
機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出する算出手段と、該排出微粒子量が算出された該酸化除去微粒子量を越えたときには該排出微粒子量が該酸化除去微粒子量よりも少なくなるように該排出微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御する制御手段を具備した排気ガス浄化装置。
パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した請求項１５に記載の排気ガス浄化装置。
周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によってパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項１６に記載の排気ガス浄化装置。
上記活性酸素放出剤がアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又は遷移金属からなる請求項１７に記載の排気ガス浄化装置。
上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる請求項１８に記載の排気ガス浄化装置。
上記活性酸素放出剤は、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出する機能を有している請求項１７に記載の排気ガス浄化装置。
該酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温度の関数である請求項１５に記載の排気ガス浄化装置。
該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に加え、排気ガス中の酸素濃度又はＮＯ_x 濃度の少くとも一つの関数である請求項２１に記載の排気ガス浄化装置。
該酸化除去可能微粒子量を少くともパティキュレートフィルタの温度の関数の形で予め記憶している記憶手段を具備した請求項２１に記載の排気ガス浄化装置。
上記制御手段は、該排出微粒子量が該酸化除去可能微粒子量を予め定められた量以上越えたときには該排出微粒子量が該酸化除去可能微粒子量よりも少なくなるように排出微粒子量と酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御する請求項１５に記載の排気ガス浄化装置。
上記制御手段は、パティキュレートフィルタの温度を上昇させることによって該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少なくする請求項１５に記載の排気ガス浄化装置。
上記制御手段は、排気ガス温が上昇するように燃料噴射量又は燃料噴射時期の少くとも一方を制御することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させる請求項２５に記載の排気ガス浄化装置。
上記制御手段は、主燃料の噴射時期を遅角させるか、又は主燃料に加え補助燃料を噴射することによって排気ガス温を上昇させる請求項２６に記載の排気ガス浄化装置。
機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、上記制御手段は、再循環排気ガス量を煤の発生量がピークとなる再循環排気ガス量よりも多くすることによって排気ガス温を上昇させ、それによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項２５に記載の排気ガス浄化装置。
パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に炭化水素供給装置を配置し、該炭化水素供給装置から排気通路内に炭化水素を供給することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項２５に記載の排気ガス浄化装置。
パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に排気制御弁を配置し、排気制御弁を閉弁することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項２５に記載の排気ガス浄化装置。
排気タービンを迂回する排気ガス量を制御するためのウエストゲートバルブを備えた排気ターボチャージャを具備しており、ウエストゲートバルブを開弁することによってパティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにした請求項２５に記載の排気ガス浄化装置。
上記制御手段は、該排出微粒子量を減少させることによって該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少なくする請求項１５に記載の排気ガス浄化装置。
上記制御手段は、排出微粒子量が減少するように燃料噴射量又は燃料噴射時期又は燃料噴射圧又は補助燃料の噴射を制御する請求項３２に記載の排気ガス浄化装置。
吸入空気を過給するための過給手段を具備し、上記制御手段は、過給圧を増大させることによって排出微粒子量を減少させる請求項３２に記載の排気ガス浄化装置。
排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、上記制御手段は、排気ガス再循環率を減少させることによって排出微粒子量を減少させる請求項３２に記載の排気ガス浄化装置。
上記制御手段は、排気ガス中の酸素濃度を高めることによって該排出微粒子量を該酸化除去可能微粒子量よりも少なくする請求項１５に記載の排気ガス浄化装置。
排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備し、上記制御手段は、排気ガス再循環率を減少させることによって排気ガス中の酸素濃度を高くする請求項３６に記載の排気ガス浄化装置。
パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給するための２次空気供給装置を具備し、上記制御手段は、パティキュレートフィルタ上流の排気通路内に２次空気を供給することによって排気ガス中の酸素濃度を高くする請求項３６に記載の排気ガス浄化装置。
機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子量がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられかつパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯ_x を吸収しパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_x を放出する機能を有するパティキュレートフィルタを用い、パティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去せしめられる酸化除去微粒子量を算出する算出手段と、該排出微粒子量が算出された該酸化除去微粒子量を越えたときには該排出微粒子量が該酸化除去微粒子量よりも少なくなるように該排出微粒子量又は該酸化除去可能微粒子量の少くとも一方を制御する制御手段を具備した排気ガス浄化装置。