JP3772729B2 - 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煤を主成分とするパティキュレートが含まれている。パティキュレートは有害物質であるために、大気放出以前にパティキュレートを捕集するためのフィルタを機関排気系に配置することが提案されている。このようなフィルタは、目詰まりによる排気抵抗の増加を防止するために、捕集したパティキュレートを焼失させることが必要である。
【0003】
このようなフィルタ再生において、パティキュレートは約600°Cとなれば着火燃焼するが、ディーゼルエンジンの排気ガス温度は、通常時において600°Cよりかなり低く、通常はフィルタ自身を加熱する等の手段が必要である。
【0004】
特公平7−106290号公報には、白金族金属とアルカリ土金属酸化物とをフィルタに担持させれば、フィルタ上のパティキュレートは、ディーゼルエンジンの通常時の排気ガス温度である約400°Cで連続的に焼失することが開示されている。
【0005】
しかしながら、このフィルタを使用しても、常に排気ガス温度が400°C程度となっているとは限らず、また、運転状態によってはディーゼルエンジンから多量のパティキュレートが放出されることもあり、各時間で焼失できなかったパティキュレートがフィルタ上に徐々に堆積することがある。
【0006】
このフィルタにおいて、ある程度パティキュレートが堆積すると、パティキュレート焼失能力が極端に低下するために、もはや自身でフィルタを再生することはできない。このように、この種のフィルタを単に機関排気系に配置しただけでは、比較的早期に目詰まりが発生して機関出力の大幅低下がもたらされることがある。
【0007】
この問題を解決するために、この種のパティキュレートフィルタをウォールフロー型として排気上流側と排気下流側とを逆転することにより、捕集壁の両側を交互に捕集面として使用することが考えられる。こうすることにより、捕集壁の一方側でパティキュレートを捕集している間は、捕集壁の他方側において捕集したパティキュレートを焼失することができ、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可能となる。
【0008】
パティキュレートフィルタにおける排気上流側と排気下流側との逆転を可能とするためには、機関排気系に切換部を設け、この切換部の下流側にパティキュレートフィルタを配置することとなる。
【0009】
ところで、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、パティキュレートの他にも有害物質であるNOXが含まれており、このNOXを浄化するためのNOX浄化触媒装置を機関排気系に配置しなければならない。
【0010】
前述した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良好に焼失するためには、パティキュレートフィルタの温度は高い方が好ましい。それにより、NOX浄化触媒装置をパティキュレートフィルタの上流側に配置し、NOX浄化触媒装置におけるNOX浄化の反応熱をパティキュレートフィルタの昇温に利用することが考えられる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単にNOX浄化触媒装置をパティキュレートフィルタの上流側に配置しても、NOX浄化触媒装置は切換部の上流側に配置されることとなるために、NOX浄化触媒装置における反応熱は切換部を介してしかパティキュレートフィルタへ流入せず、実際的には、反応熱によってパティキュレートフィルタを効果的に昇温させることは困難である。
【0012】
従って、本発明の目的は、パティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための切換部と、NOX浄化触媒装置とを具備し、NOX浄化触媒装置における反応熱をパティキュレートフィルタの昇温に効果的に利用可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【0013】
【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、排気通路に配置されたNOX浄化触媒装置と、前記NOX浄化触媒装置の直下流側において前記排気通路を横断方向に貫通するケースと、前記ケース内に配置されて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と、前記ケースの貫通位置より下流側において前記排気通路に配置された切換部、とを具備し、前記排気通路内において前記ケース回りを通過した排気ガスが前記切換部を介して前記ケース内の前記パティキュレートフィルタを通過するようになっており、前記切換部によって前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転可能であり、前記パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられることを特徴とする。
【0014】
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、前記パティキュレートフィルタには活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化することを特徴とする。
【0015】
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、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする。
【0016】
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、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとNOXを酸素と結合させて保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると結合させたNOX及び酸素をNOXと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする。
【0017】
また、本発明による請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置は、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NOX浄化触媒装置は、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吸蔵還元触媒を担持していることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明による排気浄化装置を備える4ストロークディーゼルエンジンの概略縦断面図を示しており、図2は図1のディーゼルエンジンにおける燃焼室の拡大縦断面図であり、図3は図1のディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図である。図1から図3を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5aはピストン4の頂面上に形成されたキャビティ、5はキャビティ5a内に形成された燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は一対の吸気弁、8は吸気ポート、9は一対の排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介してエアクリーナ14に連結される。吸気ダクト13内には電気モータ15により駆動されるスロットル弁16が配置される。一方、排気ポート10は排気マニホルド17へ接続される。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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、詳しくは後述する切換部71内の弁体71aを作動する。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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、NOxの排出量の変化を示す実験例を表わしている。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。
【0025】
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NOx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。
【0026】
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。
【0027】
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NOxの発生量がかなり低下する。NOxの発生量が低下したということは燃焼室5内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しない時には燃焼室5内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図7からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図7(B)に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこの時に燃焼室5内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止する時の燃料及びその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないが、この或る温度はNOxの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はNOxの発生量から或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増大するほど燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度は低下し、NOxの発生量が低下する。この時においてNOxの発生量が10p.p.m前後又はそれ以下になった時に煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNOxの発生量が10p.p.m前後又はそれ以下になった時の温度にほぼ一致する。
【0031】
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、NOxの発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室5から排出させることは排気ガスの浄化に極めて有効である。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
この場合、燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、CO2やEGRガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてEGRガスを用いることは好ましいと言える。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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ときに燃焼室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。
【0040】
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とき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率で表わすとほぼ55パーセント以上であり、図10に示す実施例では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸入された全吸入ガス量を図10において実線Xとし、この全吸入ガス量Xのうちの空気量とEGRガス量との割合を図10に示すような割合にすると燃料及びその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、この時のNOx発生量は10p.p.m前後、又はそれ以下であり、従ってNOxの発生量は極めて少量となる。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
前述したように図10は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図10に示される低負荷運転領域Z1において空気量を図10に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつNOxの発生量を10p.p.m前後又はそれ以下にすることができ、また図10に示される低負荷領域Z1において空気量を図10に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を17から18のリーンにしても煤の発生を阻止しつつNOxの発生量を10p.p.m前後又はそれ以下にすることができる。
【0044】
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NOxも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンの時、或いは空燃比が理論空燃比の時でも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、NOxも極めて少量しか発生しない。
【0045】
このように、機関低負荷運転領域Z1では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、NOxの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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NOXが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機関の運転領域が第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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
図18は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第一拡管部74と、第一拡管部74の直下流側に接続された第二拡管部75と、第二拡管部75の直下流側に接続された切換部71と、切換部71の下流側の排気管73とを具備している。第一拡管部74内にはNOX浄化触媒装置76が配置され、第二拡管部75を横断方向に貫通するケース77内にはパティキュレートフィルタ70が配置されている。こうして、排気ガスは、図19に矢印で示すように、第一拡管部74内のNOX浄化触媒装置76を通過した後に第二拡管部75内をケース77の回りを通り切換部71に達する。
【0062】
ケース77の一方側開口は第一接続部72aによって切換部71と接続され、また、ケース77の他方側開口は第二接続部72bによって切換部71と接続されている。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と連通される。それにより、前述したようにNOX浄化触媒装置76を通過した後に切換部71に達した排気ガスは、図18に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ70をケース77の一方側開口から他方側開口へ向けて通過する。
【0063】
また、図20は、弁体71aの第二遮断位置を示している。この遮断位置において、切換部71内の上流側が第二接続部72bと連通されると共に切換部71内の下流側が第一接続部72aと連通される。それにより、NOX浄化触媒装置76を通過した後に切換部71に達した排気ガスは、図20に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ70をケース77の他方側開口から一方側開口へ向けて通過する。こうして、弁体71aを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタ70へ流入する排気ガスの方向を逆転することができ、すなわち、パティキュレートフィルタ70の排気上流側と排気下流側とを逆転することが可能となる。
【0064】
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、車両搭載性を悪化させることなく、図18及び19に示すように大きな開口面積を有するパティキュレートフィルタを使用可能である。
【0065】
図21にパティキュレートフィルタ70の構造を示す。なお、図21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21(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の排気上流側表面及び隔壁54内の細孔表面上に衝突して捕集される。こうして、各隔壁54は、パティキュレートを捕集する捕集壁として機能する。本パティキュレートフィルタ70において、捕集されたパティキュレートを酸化除去するために、隔壁54の両側表面上、及び、好ましくは隔壁54内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。
【0066】
活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。
【0067】
貴金属触媒としては、通常、白金Ptが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムYのような希土類、および遷移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【0068】
なお、この場合、活性酸素放出剤としては、カルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましい。
【0069】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタによって、捕集されたパティキュレートがどのように酸化除去されるかについて、白金PtおよびカリウムKの場合を例にとって説明する。他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様なパティキュレート除去作用が行われる。
【0070】
ディーゼルエンジンでは通常空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路および燃焼室内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると、この空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内ではNOが発生するので排気ガス中にはNOが含まれている。また、燃料中にはイオウSが含まれており、このイオウSは燃焼室内で酸素と反応してSO2となる。従って排気ガス中にはSO2が含まれている。従って過剰酸素、NO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70の排気上流側へ流入することになる。
【0071】
図22(A)及び(B)はパティキュレートフィルタ70における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図22(A)及び(B)において60は白金Ptの粒子を示しており、61はカリウムKを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【0072】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタの排ガス接触面内に接触すると、図22(A)に示されるようにこれら酸素O2がO2 -又はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 -又はO2-と反応し、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。次いで生成されたNO2の一部は白金Pt上で酸化されつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら図22(A)に示されるように硝酸イオンNO3 -の形で活性酸素放出剤61内に拡散し、硝酸カリウムKNO3を生成する。このようにして、本実施例では、排気ガスに含まれるNOxをパティキュレートフィルタ70に吸収し、大気中への放出量を減少させることができる。
【0073】
一方、上述したように排気ガス中にはSO2も含まれており、このSO2もNOと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤61内に吸収される。即ち、上述したように酸素O2がO2 -又はO2-の形で白金Ptの表面に付着しており、排気ガス中のSO2は白金Ptの表面でO2 -又はO2-と反応してSO3となる。次いで生成されたSO3の一部は白金Pt上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら硫酸イオンSO4 2-の形で活性酸素放出剤61内に拡散し、硫酸カリウムK2SO4を生成する。このようにして活性酸素放出触媒61内には硝酸カリウムKNO3および硫酸カリウムK2SO4が生成される。
【0074】
排気ガス中のパティキュレートは、図22(B)において62で示されるように、パティキュレートフィルタに担持された活性酸素放出剤61の表面上に付着する。この時、パティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤61内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤61内の酸素がパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤61内に形成されている硝酸カリウムKNO3がカリウムKと酸素OとNOとに分解され、酸素Oがパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かい、NOが活性酸素放出剤61から外部に放出される。外部に放出されたNOは下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤61内に吸収される。
【0075】
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K2SO4もカリウムKと酸素OとSO2とに分解され、酸素Oがパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かい、SO2が活性酸素放出剤61から外部に放出される。外部に放出されたSO2は下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤61内に吸収される。但し、硫酸カリウムK2SO4は、安定化しているために、硝酸カリウムKNO3に比べて活性酸素を放出し難い。
【0076】
一方、パティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かう酸素Oは硝酸カリウムKNO3や硫酸カリウムK2SO4のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Oは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従ってパティキュレート62と活性酸素放出剤61との接触面に向かう酸素は活性酸素Oとなっている。これら活性酸素Oがパティキュレート62に接触するとパティキュレート62は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、活性酸素放出剤61へNO及びSO2が吸収されている時にも放出される。すなわち、NOXは酸素原子の結合及び分離を繰り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。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、このように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62は活性酸素Oによって酸化せしめられるが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。
【0077】
ところで白金Pt及び活性酸素放出剤61はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤61から放出される活性酸素Oの量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易くなる。従ってパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。
【0078】
図23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23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23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を表わすことになり、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23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。
【0079】
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よりも少ない時、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より少ない時、即ち図23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。
【0080】
これに対し、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い時、即ち図23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24(A)〜(C)はこのような場合におけるパティキュレートの酸化の様子を示している。
【0081】
即ち、全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している場合には図24(A)に示すようにパティキュレート62が活性酸素放出剤61上に付着するとパティキュレート62の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分がパティキュレートフィルタの排気上流側面上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかったパティキュレート部分が排気上流面上に残留し、その結果図24(B)に示されるようにパティキュレートフィルタの排気上流面が残留パティキュレート部分63によって覆われるようになる。
【0082】
このような残留パティキュレート部分63は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排気上流面が残留パティキュレート部分63によって覆われると白金PtによるNO,SO2の酸化作用および活性酸素放出剤61による活性酸素の放出作用が抑制される。それにより、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24(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や活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキュレートであっても活性酸素によって酸化されることはない。従ってこのパティキュレート64上に更に別のパティキュレートが次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【0083】
このように図23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23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。
【0084】
本実施例では、前述の電子制御ユニット30により図25に示す第一フローチャートに従って弁体71aを作動制御することにより、パティキュレートフィルタへの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、弁体71aの切り換え時期であるか否かが判断される。切り換え時期は、設定時間又は設定走行距離毎とされている。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ102へ進み、弁体71aを現在の遮断位置から他方の遮断位置へ回動させる。
【0085】
図26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。前述したように、排気ガスが主に衝突する隔壁54の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面は、一方の捕集面としてパティキュレートを衝突捕集し、活性酸素放出剤により放出された活性酸素によって捕集パティキュレートを酸化除去するが、設定時間又は設定走行距離を走行する間には、図23の領域IIでの運転が実施されることもあり、図26(A)に格子で示すように、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。この程度のパティキュレートの堆積に伴う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。しかしながら、この時点で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れば、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、隔壁の細孔内に残留するパティキュレートは、逆方向の排気ガス流によって、図26(B)に示すように、容易に破壊されて細分化され、下流側へ移動する。
【0086】
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、すなわち、パティキュレートは流動することにより、隔壁の細孔内表面に担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除去される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも活性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレートを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔壁54の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガスが主に衝突する隔壁54の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面(一方の捕集面とは反対側の関係となる)では、排気ガス中の新たなパティキュレートが付着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素によって酸化除去される。これらの酸化除去の際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残留するパティキュレートを酸化除去する。
【0087】
すなわち、隔壁における一方の捕集面の残留パティキュレートには、この捕集面から放出される活性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された残りの活性酸素が排気ガスによって到来する。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。
【0088】
弁体の切り換えは、設定時間又は設定走行距離毎のように定期的に実施しなくても不定期に実施するようにしても良い。また、機関減速時毎に弁体を切り換えるようにしても良い。機関減速時の判断には、運転者が車両の減速を意図する動作、例えば、アクセルペダルの開放、ブレーキペダルの踏み込み、及びフューエルカット等のいずれかを検出することが利用可能である。
【0089】
また、パティキュレートフィルタへのパティキュレート堆積量が設定量となった時に弁体を切り換えるようにしても良い。パティキュレート堆積量の推定には、例えば、パティキュレート堆積量の増加に伴って増大するパティキュレートフィルタ70の直上流側と直下流側との間の差圧を利用することができ、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の電気抵抗値を利用しても良く、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の光の透過率又は反射率を利用しても良い。また、図23のグラフに基づき、現在の機関運転状態から推定される排出微粒子量Mが現在の機関運転状態から推定されるパティキュレートフィルタの温度を考慮した酸化除去可能微粒子量Gを上回る時の差(M−G)をパティキュレート堆積量として積算するようにしても良い。
【0090】
また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させると、活性酸素放出剤61から外部に活性酸素Oが一気に放出される。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。
【0091】
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の酸素被毒が生じる。このような酸素被毒が生じるとNOXに対する酸化作用が低下するためにNOX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、従って空燃比が再びリッチからリーンに切り換えられるとNOXに対する酸化作用が強まるためにNOXの吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤61からの活性酸素補出量が増大する。
【0092】
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剤が増大し、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。
【0093】
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、さらに多量に放出される活性酸素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートをさらに確実に酸化除去することができる。もちろん、弁体71aの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比をリッチにしても良く、それにより、パティキュレートフィルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【0094】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施すれば良い。また、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。
【0095】
ところで、排気ガス中のカルシウム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、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、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を用いることが好ましく、それにより、活性酸素放出剤61内に拡散するSO3はカリウムKと結合して硫酸カリウムK2SO4を形成し、カルシウムCaはSO3と結合することなくパティキュレートフィルタの隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィルタがアッシュによって目詰まりすることがなくなる。こうして、前述したように活性酸素放出剤61としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましいことになる。
【0096】
また、活性酸素放出剤としてパティキュレートフィルタに白金Ptのような貴金属のみを担持させても、白金Ptの表面上に保持されるNO2又はSO3から活性酸素を放出させることができる。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Gを示す実線は図23に示す実線に比べて若干右側に移動する。また、活性酸素放出剤としてセリアを用いることも可能である。セリアは、排気ガス中の酸素濃度が高いと酸素を吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると活性酸素を放出するものであるために、パティキュレートの酸化除去のために、排気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良い。
【0097】
本実施例において、パティキュレートフィルタ自身が活性酸素放出剤を担持して、この活性酸素放出剤が放出する活性酸素によりパティキュレートが酸化除去されるものとしたが、これは、本発明を限定するものではない。例えば、活性酸素及び活性酸素と同等に機能する二酸化窒素等のパティキュレート酸化成分は、パティキュレートフィルタ又はそれに担持させた物質から放出されても、外部からパティキュレートフィルタへ流入するようにしても良い。パティキュレート酸化成分が外部から流入する場合においても、パティキュレートを捕集するために、捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とを交互に使用することで、排気下流側となった一方の捕集面では、新たにパティキュレートが堆積することはなく、この堆積パティキュレートを、他方の捕集面から流入するパティキュレート酸化成分によって徐々にでも酸化除去して、堆積パティキュレートをある程度の時間で十分に酸化除去することが可能である。この間において、他方の捕集面では、パティキュレートの捕集と共にパティキュレート酸化成分による酸化が行われるために、前述同様な効果がもたらされる。
【0098】
本実施例のディーゼルエンジンは、低温燃焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、もちろん、通常燃焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパティキュレートを排出するガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。
【0099】
ところで、本実施例のパティキュレートフィルタは、前述したように排気ガス中のNOXを良好に吸収するが、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活性酸素放出剤と接触する機会は、モノリス型の触媒装置において触媒と接触する機会より少ない。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活性酸素放出剤に接触するが、主には、捕集壁の表面に担持された活性酸素放出剤にしか接触しない。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、NOXを吸収する活性酸素放出剤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NOXを十分に浄化することはできない。
【0100】
本実施例では、前述したようにパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための切換部71の上流側にNOX浄化触媒装置76を配置している。それにより、排気ガス中のNOXの一部をNOX浄化触媒装置76によって浄化し、パティキュレートフィルタと合わせて大気中へNOX放出量を十分に低減することが可能となる。本パティキュレートフィルタ70では、前述したように、パティキュレートの酸化除去にNOXを使用するものであるために、NOX浄化触媒装置76によってパティキュレートフィルタ70の上流側であまり多量のNOXを浄化しないようにしなければならない。
【0101】
NOX浄化触媒装置76がNOXを浄化するためのいずれの触媒を担持していても、NOXの浄化は還元剤によるNOXの還元であり、すなわち、還元剤の酸化を伴うこととなる。本実施例において、この反応熱は、排気ガスを利用してNOX浄化触媒装置76の直下流において排気通路を横断するケース77を良好に加熱する。それにより、ケース77内に配置されたパティキュレートフィルタ70も良好に加熱される。こうして加熱されたパティキュレートフィルタ70では、図23に示すように酸化除去可能微粒子量が増大するために、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。
【0102】
本実施例におけるNOX浄化触媒装置76は、例えば、ハニカム構造担体の隔壁にアルミナ等を使用して以下に説明するNOX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。NOX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NOX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NOX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NOXを放出するNOXの吸放出作用を行う。
【0103】
このNOX吸収剤は実際にNOX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。
【0104】
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27(A)に示されるようにこれら酸素O2がO2 -又はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 -又はO2-と反応し、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。次いで生成されたNO2の一部は白金Pt上で酸化されつつ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27(A)に示されるように硝酸イオンNO3 -の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOXがNOX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NO2が生成され、吸収剤のNOX吸収能力が飽和しない限り、NO2が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 -が生成される。
【0105】
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NO2の生成量が低下する。NO2の生成量が低下すると反応が逆方向(NO3 -→NO2)に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 -がNO2の形で吸収剤から放出される。このときNOX吸収剤から放出されたNOXは図27(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NO2が存在しなくなると吸収剤から次から次へとNO2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NOX吸収剤からNOXが放出され、しかもこの放出されたNOXが還元されるために大気中にNOXが排出されることはない。
【0106】
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NOX吸収剤からNOXが放出される。しかしながら、この場合にはNOX吸収剤からNOXが徐々にしか放出されないためにNOX浄化触媒装置に吸収されている全NOXを放出させるには若干長い時間を要する。
【0107】
ところでNOX吸収剤のNOX吸収能力には限度があり、NOX吸収剤のNOX吸収能力が飽和する前にNOX吸収剤からNOXを放出させる必要がある。すなわち、NOX浄化触媒装置に吸収されているNOX量がNOX貯蔵可能量に達する以前に、NOX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NOX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NOX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28(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NOX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28(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NOX吸収量A,Bを積算することによってNOX浄化触媒装置に吸収されているNOX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NOX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NOX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NOX吸収量が予め定められた許容値を越えたときにNOX浄化触媒装置を再生するために、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、NOX浄化触媒装置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。この再生処理がNOXの還元浄化であり、還元剤の酸化に伴って反応熱が発生する。本実施例では、前述したように、この反応熱をパティキュレートフィルタの加熱に有効利用することができる。
【0108】
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、本実施例のように、パティキュレートフィルタ70の上流側に配置したNOX浄化触媒装置に白金Pt等の酸化触媒が担持されていれば、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促進を防止することができる。
【0109】
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SOXが生成される。SOXは、NOX浄化触媒装置へNOX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NOX浄化触媒装置から放出され難く、実際には、NOX浄化触媒装置に残留して、吸蔵量が徐々に増加する。NOX浄化触媒装置への硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、NOX浄化触媒装置における硫酸塩の吸蔵量が増加すれば(以下、SOX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NOXを吸収することができなくなる。
【0110】
本実施例では、上流側のNOX浄化触媒装置76がSOX被毒するが、その分、下流側のパティキュレートフィルタ上の活性酸素放出剤にはSOXが吸収され難くなる。NOX浄化触媒装置76のSOX被毒の回復は、以下の手順によって行われる。
【0111】
先ず、SOX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SOX被毒の回復時期と判断することができる。また、NOX浄化触媒装置の再生処理において、NOX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NOXの還元浄化に使用されるために、NOX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、NOX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、SOX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SOX被毒が進行していると、再生時期におけるNOX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。
【0112】
SOX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NOX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、NOX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、NOX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。
【0113】
こうして、NOX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、SOXとして放出させることができる。NOX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、NOX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NOX浄化触媒装置のSOX被毒回復処理中には、切換部71において弁体71aは二つの遮断位置の間の開放位置とされており、NOX浄化触媒装置から放出されたSOX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の活性酸素放出剤に吸収されることはない。NOX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、SOX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。このSOX被毒回復処理において、NOX浄化触媒装置の昇温時の発生熱及びSOX還元浄化の際の還元物質の燃焼熱は、ケース77を良好に加熱してケース77内のパティキュレートフィルタ70を効果的に昇温させる。
【0114】
また、NOX浄化触媒装置のSOX被毒回復処理の完了と同時又は完了直後において、NOX浄化触媒装置から放出されたSOXのほぼ全てが排気管73へ排出されれば、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NOX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さらに昇温させることができる。
【0115】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に配置されたNOX浄化触媒装置と、NOX浄化触媒装置の直下流側において排気通路を横断方向に貫通するケースと、このケース内に配置されて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と、ケースの貫通位置より下流側において排気通路に配置された切換部、とを具備し、排気通路内においてケース回りを通過した排気ガスが切換部を介してケース内のパティキュレートフィルタを通過するようになっており、切換部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が逆転可能であり、パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられるようになっている。
【0116】
こうして、切換部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により、パティキュレートフィルタでの捕集パティキュレートの酸化は比較的良好となるが、さらに、NOX浄化触媒装置でのNOX浄化の際の反応熱が、切換部を介してではなく、NOX浄化触媒装置の直下流側において排気通路を横断方向に貫通するケースを良好に加熱し、このケース内のパティキュレートフィルタを効果的に昇温させるために、この昇温によってパティキュレートフィルタでの捕集パティキュレートの酸化をさらに良好にすることができる。
【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NOXの発生量等を示す図である。
【図7】燃焼圧を示す図である。
【図8】燃料分子を示す図である。
【図9】スモークの発生量とEGR率との関係を示す図である。
【図10】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図11】第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】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図22】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23】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24】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25】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26】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面図である。
【図27】NOXの吸放出作用を説明するための図である。
【図28】単位時間当りのNOX吸収量のマップを示す図である。
【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
76…NOX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]
Particulates mainly composed of soot are contained in the exhaust gas of internal combustion engines, particularly diesel engines. Since particulates are harmful substances, it has been proposed to arrange a filter for collecting particulates in the engine exhaust system before release into the atmosphere. Such a filter is required to burn off the collected particulates in order to prevent an increase in exhaust resistance due to clogging.
[0003]
In such filter regeneration, ignition and combustion occur when the particulates reach approximately 600 ° C., but the exhaust gas temperature of the diesel engine is considerably lower than 600 ° C. at normal times, and usually means such as heating the filter itself. is required.
[0004]
In Japanese Patent Publication No. 7-106290, if a platinum group metal and an alkaline earth metal oxide are supported on a filter, the particulates on the filter are about 400 ° C., which is the exhaust gas temperature of a diesel engine at normal times. It is disclosed that it burns continuously.
[0005]
However, even if this filter is used, the exhaust gas temperature is not always about 400 ° C, and a large amount of particulates may be released from the diesel engine depending on the operating state. Particulates that could not be burned out in time may gradually accumulate on the filter.
[0006]
In this filter, if particulates are accumulated to some extent, the ability to burn out the particulates is extremely reduced, so that the filter can no longer be regenerated by itself. In this way, simply placing this type of filter in the engine exhaust system may cause clogging relatively early, resulting in a significant reduction in engine output.
[0007]
In order to solve this problem, it is considered that this type of particulate filter is a wall flow type and the exhaust upstream side and the exhaust downstream side are reversed so that both sides of the collection wall are used alternately as the collection surface. It is done. By doing this, while collecting particulates on one side of the collection wall, the particulates collected on the other side of the collection wall can be burned out, preventing clogging of the particulate filter. It becomes possible to do.
[0008]
In order to enable reversal between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter, a switching unit is provided in the engine exhaust system, and the particulate filter is disposed downstream of the switching unit.
[0009]
By the way, NOx, which is a harmful substance in addition to particulates, is contained in exhaust gas from diesel engines.XIs included, this NOXNO to purifyXThe purification catalyst device must be arranged in the engine exhaust system.
[0010]
In order to burn out the particulates well in the particulate filter described above, the temperature of the particulate filter is preferably higher. As a result, NOXThe purification catalyst device is arranged on the upstream side of the particulate filter, and NOXNO in purification catalyst equipmentXIt is conceivable to use the reaction heat of purification for raising the temperature of the particulate filter.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, simply NOXEven if the purification catalyst device is arranged upstream of the particulate filter, NOXSince the purification catalyst device is disposed upstream of the switching unit, NOXThe reaction heat in the purification catalyst device flows into the particulate filter only through the switching unit. In practice, it is difficult to effectively raise the temperature of the particulate filter by the reaction heat.
[0012]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a particulate filter, a switching unit for reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter,XA purification catalyst device, NOXAn object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can effectively use reaction heat in a purification catalyst device to raise the temperature of a particulate filter.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
[0014]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, wherein the particulate filter carries an active oxygen release agent, and the active oxygen The active oxygen released from the releasing agent is characterized in that the particulates are oxidized.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, wherein the active oxygen release agent removes oxygen when excess oxygen is present in the surrounding area. In this case, oxygen is retained, and when the surrounding oxygen concentration is lowered, the retained oxygen is released in the form of active oxygen.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, wherein the active oxygen release agent is NO when excess oxygen is present in the surrounding area.XIn combination with oxygen and as the ambient oxygen concentration decreases, the combined NOXAnd oxygen NOXIt is characterized by being decomposed and released into active oxygen.
[0017]
An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to
[0018]
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
[0019]
As shown in FIG. 1, an air-
[0020]
On the other hand, each
[0021]
An
[0022]
As shown in FIGS. 2 and 3, in the embodiment according to the present invention, the
[0023]
FIG. 4 shows a case where additional fuel is injected from the
[0024]
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
[0025]
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.
[0026]
FIG. 7A shows a change in combustion pressure in the
[0027]
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
[0028]
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. .
[0029]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 6 and 7, the amount of soot generated becomes almost zero when the combustion temperature in the
[0030]
By the way, when the hydrocarbon generation 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 amount of occurrence. 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 NOxWhen the amount of generated is around 10 p.p.m or less, soot is hardly generated. Therefore, the above mentioned temperature is NOxThis is almost the same as the temperature when the amount of generated is around 10 p.p.m or less.
[0031]
Once soot is produced, it cannot simply be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. In contrast, soot precursors or hydrocarbons 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
[0032]
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
[0033]
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 increase 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.
[0034]
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.
[0035]
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.
[0036]
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.
[0037]
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.
[0038]
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.
[0039]
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
[0040]
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, in FIG. 10, the ratio of EGR gas, that is, the amount of EGR gas in the mixed gas is used 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 EGR gas amount 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
[0041]
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.
[0042]
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
[0043]
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.xCan be reduced to around 10 p.pm or less, and even if the amount of air in the low load region Z1 shown in FIG. 10 is larger than the amount of air shown in FIG. Even if the value is lean from 17 to 18, NOxCan be reduced to around 10 p.p.m or less.
[0044]
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, even 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.
[0045]
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.
[0046]
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.
[0047]
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
[0048]
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.
[0049]
FIG. 12 shows the output of the air-
[0050]
FIG. 13 shows the opening degree of the
[0051]
In other words, the opening degree of the
[0052]
During the idling operation, the
[0053]
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
[0054]
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.
[0055]
In the second operation region II, the
[0056]
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.
[0057]
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.
[0058]
Note that the target opening ST of the
[0059]
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-
[0060]
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
[0061]
18 is a plan view showing the exhaust emission control device, and FIG. 19 is a side view thereof. The exhaust purification apparatus includes a first expanded
[0062]
One side opening of the
[0063]
FIG. 20 shows a second blocking position of the
[0064]
Further, in the particulate filter, a large opening area is required for facilitating the inflow of exhaust gas. However, in this exhaust purification device, as shown in FIGS. A particulate filter having a large opening area can be used.
[0065]
FIG. 21 shows the structure of the
[0066]
The active oxygen release agent is an agent that promotes oxidation of particulates by releasing active oxygen. Preferably, oxygen is taken in and retained when excess oxygen is present in the surroundings, and the oxygen concentration in the surroundings is increased. When lowered, the retained oxygen is released in the form of active oxygen.
[0067]
As the noble metal catalyst, platinum Pt is usually used, and as the active oxygen release agent, alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr are used. At least one selected from alkaline earth metals, lanthanum La, rare earths such as yttrium Y, and transition metals is used.
[0068]
In this case, as the active oxygen release agent, 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 are used. preferable.
[0069]
Next, how the collected particulates are oxidized and removed by such a particulate filter carrying an active oxygen release agent will be described by taking platinum Pt and potassium K as an example. The same particulate removal action can be performed using other noble metals, alkali metals, alkaline earth metals, rare earths, and transition metals.
[0070]
In a diesel engine, combustion is usually performed under excess air, and therefore the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, when the ratio of air and fuel supplied to the intake passage and the combustion chamber is called the air-fuel ratio of the exhaust gas, the air-fuel ratio is lean. Further, since NO is generated in the combustion chamber, the exhaust gas contains NO. The fuel also contains sulfur S, which reacts with oxygen in the combustion chamber to react with SO.2It becomes. Therefore, in the exhaust gas, SO2It is included. Therefore excess oxygen, NO and SO2The exhaust gas containing the gas flows into the exhaust upstream side of the
[0071]
22A and 22B schematically show enlarged views of the exhaust gas contact surface in the
[0072]
As described above, since a large amount of excess oxygen is contained in the exhaust gas, when the exhaust gas comes into contact with the exhaust gas contact surface of the particulate filter, as shown in FIG.2Is O2 -Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 -Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). Then the generated NO2Part of the oxygen is absorbed on the active
[0073]
On the other hand, as described above, the exhaust gas contains SO.2Is also included, this SO2Is absorbed into the active
[0074]
Particulates in the exhaust gas adhere to the surface of the active
[0075]
On the other hand, potassium sulfate K formed in the active
[0076]
On the other hand, the oxygen O toward the contact surface between the particulate 62 and the active
[0077]
By the way, since platinum Pt and the active
[0078]
The solid line in FIG. 23 indicates the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a bright flame per unit time. In FIG. 23, the horizontal axis indicates the temperature TF of the particulate filter. FIG. 23 shows the amount G of fine particles that can be oxidized and removed per second when the unit time is 1 second. As this unit time, an arbitrary time such as 1 minute or 10 minutes is adopted. be able to. For example, when 10 minutes is used as the unit time, the amount G of fine particles that can be removed by oxidation per unit time represents the amount G of fine particles that can be removed by oxidation per 10 minutes. As shown in FIG. 23, the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a bright flame per hour increases as the temperature of the
[0079]
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 smaller 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 catalyst are oxidized and removed sequentially in a short time without emitting a bright flame on the
[0080]
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. 23, the amount of active oxygen is insufficient to sequentially oxidize all the particulates. FIGS. 24A to 24C show the state of particulate oxidation in such a case.
[0081]
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the particulates, if the
[0082]
Such residual
[0083]
In this way, in the region I in FIG. 23, the particulates are oxidized on the particulate filter within a short time without emitting a bright flame, and in the region II in FIG. 23, 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
[0084]
In the present embodiment, the accumulation of particulates on the particulate filter is prevented by controlling the operation of the
[0085]
FIG. 26 is an enlarged cross-sectional view of the
[0086]
As a result, many of the finely divided particulates are dispersed in the pores of the partition walls, i.e., the particulates flow and directly with the active oxygen release agent supported on the pore inner surfaces of the partition walls. There are many opportunities for contact and oxidation removal. In this way, by supporting the active oxygen release agent in the pores of the partition walls, the residual particulates can be remarkably easily removed by oxidation. Further, in addition to this oxidation removal, the other collection surface of the
[0087]
That is, the residual particulates on one collecting surface in the partition wall are not only 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 exhaust gas. The remaining active oxygen used comes from 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.
[0088]
The switching of the valve body may be performed irregularly even if it is not performed periodically, such as every set time or set travel distance. Further, the valve body may be switched every time the engine is decelerated. For the determination at the time of engine deceleration, it is possible to detect an operation that the driver intends to decelerate the vehicle, for example, release of an accelerator pedal, depression of a brake pedal, fuel cut, or the like.
[0089]
Further, the valve body may be switched when the amount of particulate accumulation on the particulate filter reaches a set amount. For the estimation of the particulate deposition amount, for example, the differential pressure between the upstream side and the downstream side of the
[0090]
Further, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas is lowered, the active oxygen O is released from the active
[0091]
On the other hand, when the air-fuel ratio is maintained lean, 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 oxidationXAs a result, the active oxygen release amount from the active
[0092]
Therefore, if the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich when the air-fuel ratio is maintained lean, oxygen poisoning of platinum Pt is eliminated each time, so that active oxygen release when the air-fuel ratio is lean Thus, the amount of the agent increases, and thus the oxidation action of the particulates on the
[0093]
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
[0094]
As a method for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas, for example, the low-temperature combustion described above may be performed. Alternatively, the combustion air-fuel ratio may be simply made rich. 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.
[0095]
By the way, calcium Ca in the exhaust gas is SO.ThreeIn the presence of calcium sulfate CaSOFourIs generated. This calcium sulfate CaSOFourIs hardly removed by oxidation and remains as ash on the particulate filter. Therefore, in order to prevent the particulate filter from being clogged due to residual calcium sulfate, 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 as the active
[0096]
In addition, even if only a noble metal such as platinum Pt is supported on a particulate filter as an active oxygen release agent, NO retained on the surface of platinum Pt.2Or SOThreeActive oxygen can be released from However, in this case, the solid line indicating the amount G of fine particles that can be removed by oxidation moves slightly to the right as compared with the solid line shown in FIG. It is also possible to use ceria as the active oxygen release agent. Ceria absorbs oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas is high, and releases active oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas decreases. Therefore, ceria in the exhaust gas is removed for oxidation removal of particulates. It is necessary to enrich the air-fuel ratio regularly or irregularly. Instead of ceria, iron or tin may be used.
[0097]
In this embodiment, the particulate filter itself carries the active oxygen release agent, and the particulates are oxidized and removed by the active oxygen released by the active oxygen release agent. However, this limits the present invention. It is not a thing. For example, the active oxygen and the particulate oxidation component such as nitrogen dioxide that functions in the same way as the active oxygen may be released from the particulate filter or a substance carried on the particulate filter or may flow into the particulate filter from the outside. . Even when the particulate oxidation component flows from the outside, in order to collect the particulates, by alternately using the first collection surface and the second collection surface of the collection wall, Particulates are not newly deposited on one of the collected surfaces, and the deposited particulates are gradually oxidized and removed by the particulate oxidizing component flowing in from the other collecting surface. Can be sufficiently oxidized and removed in a certain time. In the meantime, the other collecting surface is oxidized by the particulate oxidation component together with the collection of the particulates, and thus the same effect as described above is brought about.
[0098]
The diesel engine of the present embodiment is switched between low-temperature combustion and normal combustion, but this does not limit the present invention. Of course, a diesel engine or particulate that performs only normal combustion is used. The present invention is also applicable to a gasoline engine that discharges.
[0099]
By the way, the particulate filter of the present embodiment, as described above, the NO in the exhaust gas.XAs described above, the structure of the particulate filter is a wall flow type in which the exhaust gas passes through the pores of the collection wall, and the exhaust gas generally flows along the partition wall supporting the catalyst. In order to allow the same amount of exhaust gas to pass through in comparison with a typical catalyst device, the size between the collection walls must be larger than the size between the partition walls. Thereby, the opportunity for the exhaust gas to come into contact with the active oxygen release agent carried on the surface of the collection wall in the particulate filter is less than the chance to come into contact with the catalyst in the monolith type catalyst device. Further, when the exhaust gas passes through the pores of the collection wall, it comes into contact with the active oxygen release agent carried in the pores, but mainly the active gas carried on the surface of the collection wall. Contact with oxygen release agent only. 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 an active oxygen release agent that absorbs oxygen is supported on the particulate filter, NO in the exhaust gasXCan not be sufficiently purified.
[0100]
In the present embodiment, as described above, the NO on the upstream side of the switching
[0101]
NOXThe
[0102]
NO in this exampleXThe
[0103]
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 partition walls, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
[0104]
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. 27 (A), a part of is absorbed in the absorbent while being oxidized on platinum Pt and combined with barium oxide BaO.Three -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 neighborhood2Is produced and NO in the absorbentXUnless the absorption capacity is saturated, NO2Is absorbed into the absorbent and nitrate ion NO.Three -Is generated.
[0105]
On the other hand, when the air-fuel ratio in the vicinity 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 proceeds in the reverse direction (NOThree -→ NO2) And thus nitrate ion NO in the absorbentThree -Is NO2Is released from the absorbent in the form of NO at this timeXNO released from the absorbentXAs shown in FIG. 27 (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.
[0106]
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 released only graduallyXTotal NO absorbed by the purification catalyst unitXIt takes a little longer time to release.
[0107]
By the way NOXAbsorbent NOXAbsorption capacity is limited, NOXAbsorbent NOXNO before absorption capacity saturatesXNO from absorbentXNeed to be released. That is, NOXNO absorbed by the purification catalyst deviceXAmount 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. 28A 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. 28B as a function of required load L and engine speed N, and the NO per unit time is obtained.XBy accumulating the absorption amounts A and B, NOXNO absorbed by the purification catalyst deviceXThe 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 NOXNO when the amount of absorption exceeds a predetermined toleranceXIn order to regenerate the purification catalyst device, the low-temperature combustion at the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio is performed, or fuel is injected into the cylinder in the exhaust stroke, etc.XThe atmosphere in the vicinity of the purification catalyst device is set to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, and this state is maintained at least for the time until regeneration is completed (the shorter the air-fuel ratio in the vicinity atmosphere is, the shorter is this). This regeneration process is NOXThe heat of reaction is generated as the reducing agent is oxidized. In the present embodiment, as described above, this reaction heat can be effectively used for heating the particulate filter.
[0108]
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. Thereby, as in the present embodiment, the NO disposed on the upstream side of the
[0109]
By the way, the fuel of the internal combustion engine contains sulfur, and the SOXIs generated. SOXIs NOXNO to purification catalyst unitXIt is absorbed in the form of sulfate by the same mechanism. This sulfate can release active oxygen by the same mechanism as nitrate. However, since sulfate is a stable substance, even if the ambient atmosphere is rich air-fuel ratio, it is NO.XIn fact, NO is hardly released from the purification catalyst device.XThe amount of occlusion increases gradually as it remains in the purification catalyst device. NOXThe amount of nitrate or sulfate that can be stored in the purification catalyst device is finite, NOXIf the storage amount of sulfate in the purification catalyst device increases (hereinafter referred to as SOX(Referred to as poisoning), the amount of nitrate that can be stored decreases, and finally, NOXCannot absorb.
[0110]
In this embodiment, the upstream side NOXThe
[0111]
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. NOXIn the regeneration process of the purification catalyst device, 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.
[0112]
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.
[0113]
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
[0114]
NOXSO of purification catalyst equipmentXAt the same time as or immediately after completion of the poisoning recovery process, NOXSO released from the purification catalyst deviceXIs discharged to the
[0115]
【The invention's effect】
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention includes NO disposed in an exhaust passage.XPurification catalyst device and NOXA case that penetrates the exhaust passage in the transverse direction on the downstream side of the purification catalyst device, a particulate filter that is disposed in the case and collects particulates, and that is arranged in the exhaust passage on the downstream side from the penetration position of the case. And the exhaust gas that has passed around the case in the exhaust passage passes through the particulate filter in the case through the switching unit, and the switching unit allows the exhaust gas upstream of the particulate filter to be exhausted. The exhaust side and the exhaust downstream side can be reversed, and the collected particulates are oxidized in the particulate filter.
[0116]
Thus, by reversely switching the exhaust gas upstream side and the exhaust gas downstream side of the particulate filter by the switching unit, the oxidation of the collected particulates in the particulate filter becomes relatively good.XNO in purification catalyst equipmentXThe reaction heat at the time of purification is not via the switching part, but NOXIn order to heat the case penetrating the exhaust passage in the transverse direction on the downstream side of the purification catalyst device well and to effectively raise the temperature of the particulate filter in this case, the temperature of the particulate filter is increased by this temperature rise. The oxidation of the collected particulate can be further improved.
[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 a structure of a particulate filter.
FIG. 22 is a diagram for explaining the oxidizing action of particulates.
FIG. 23 is a graph showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of the particulate filter.
FIG. 24 is a diagram for explaining the particulate deposition action.
FIG. 25 is a flowchart for preventing accumulation of a large amount of particulates on a particulate filter.
FIG. 26 is an enlarged sectional view of the partition wall of the particulate filter.
FIG. 27: NOXIt is a figure for demonstrating the absorption-and-release function of.
FIG. 28: NO per unit timeXIt is a figure which shows the map of absorption amount.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
16 ... Throttle valve
71 ... switching part
70 ... Particulate filter
76 ... NOXPurification catalyst device
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