JP4599759B2 - Exhaust gas purification device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は600℃程度以上の高温にならないと着火せず、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。
例えば特公平7−106290号公報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】
【発明が解決しようとする課題】
このようにパティキュレートフィルタ上に触媒を担持すると350℃から400℃の比較的低温でもって微粒子を連続的に燃焼させることができる。しかしながら実際のディーゼル機関ではパティキュレートフィルタの温度が継続的に350℃以下となることがあり、この場合にはパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積し続けるために終いにはパティキュレートフィルタが目詰まりを生じてしまう。また、パティキュレートフィルタの温度が350℃から400℃に維持されていたとしても多量の微粒子が機関から排出され続けるとこの場合にもパティキュレートフィルタが目詰まりしてしまう。しかしながら上述の公報に記載されたディーゼル機関ではこのようにパティキュレートフィルタが目詰まりを生ずることを想定しておらず、従ってパティキュレートフィルタが目詰まりを生じたときの対処について何ら考慮が払われていない。
【0005】
一方、従来の大部分のパティキュレートフィルタではパティキュレートフィルタの表面上に堆積した微粒子をパティキュレートフィルタ表面上において燃焼せしめるようにしている。これに対して本発明者はパティキュレートフィルタ内部に堆積した微粒子をパティキュレートフィルタ内部において酸化除去しうるパティキュレートフィルタの開発にとりかかっており、現在開発されているパティキュレートフィルタは微粒子がパティキュレートフィルタ内部に侵入しやすくするためにパティキュレートフィルタ内の排気ガス流通細孔の寸法が大きく形成されている。
【0006】
このようにパティキュレートフィルタ内の排気ガス流通細孔の寸法を大きくすると微粒子の堆積のしかたによってはパティキュレートフィルタが目詰まりすることもあるが通常は目詰まりしなくなり、しかも微粒子が堆積してもパティキュレートフィルタにおける圧損がほとんど増大しなくなる。即ち、パティキュレートフィルタ内の排気ガス流通細孔の寸法を大きくすると後に詳細に説明するように機関の運転状態によってパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子量が増大してもパティキュレートフィルタにおける圧損がほとんど増大しない場合とパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子量が増大するとパティキュレートフィルタにおける圧損が増大する場が生じる。
【0007】
ところでパティキュレートフィルタにおける圧損が増大した場合、即ちパティキュレートフィルタが目詰まりを生じた場合には堆積した微粒子をできるだけ早く燃焼させ除去する、云い換えるとパティキュレートフィルタを再生する必要がある。この場合、パティキュレートフィルタにおける圧損が増大したか否かは圧力センサ等を用いて簡単に検出することができ、従って本発明においてもパティキュレートフィルタにおける圧損を検出して検出した圧損が設定値を越えたときにパティキュレートフィルタを再生するようにしている。
【0008】
ところが上述したように排気ガス流通細孔の寸法を大きくするとパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子が増大してもパティキュレートフィルタにおける圧損がほとんど増大しない場合が生ずる。この場合、パティキュレートフィルタにおける圧損がほとんど増大しないからと言ってそのまま放置しておくと大きな問題を生ずる。即ち、例えば加速運転が行われると燃焼室内における発熱量が増大すると共に排気ガス量が増大し、その結果パティキュレートフィルタの温度が急速に上昇する。次いで、低負荷運転に移行するとパティキュレートフィルタの温度が高い状態でパティキュレートフィルタ内における排気ガスの空間速度が小さくなり、排気ガス中の酸素濃度が高くなるためにパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子が急速に燃焼せしめられる。このときパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積していると微粒子の燃焼によってパティキュレートフィルタの温度がかなり上昇し、その結果パティキュレートフィルタが溶損したり、或いはパティキュレートフィルタ上における温度差が激しくなって亀裂が発生するという問題、即ち、パティキュレートフィルタが損傷するという問題を生ずる。
【0009】
本発明の目的は、パティキュレートフィルタにおける圧損が設定値を越えたときにはパティキュレートフィルタの再生利用を行うことはもとより、パティキュレートフィルタにおける圧損が設定値に対してかなり低い値に維持されていたとしてもパティキュレートフィルタの損傷の発生を阻止するために必要に応じてパティキュレートフィルタを再生するようにした排気ガス浄化装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記目的を達成するために、機関排気通路内に排気ガス中の微粒子を捕集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上には貴金属触媒が担持されており、リーン空燃比のもとで継続的に燃焼が行われている際にパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子を輝炎の発生を伴なうことなく連続的に酸化除去可能である内燃機関において、パティキュレートフィルタとして、機関の運転状態によりパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子量が増大してもパティキュレートフィルタにおける圧損がほとんど増大しない場合とパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子が増大するとパティキュレートフィルタにおける圧損が増大する場合とがあるパティキュレートフィルタを用い、単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係が求められており、パティキュレートフィルタの温度から求まる酸化除去可能な微粒子量と機関から排出される微粒子量とに基づいてパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子量を算出する算出手段と、パティキュレートフィルタにおける圧損を検出する検出手段と、検出手段により検出された圧損が設定値を越えたときにはパティキュレートフィルタを再生するためにパティキュレートフィルタの温度を上昇させる主再生手段と、算出手段により算出されたパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子量が増大して堆積微粒子の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタの損傷をひき起こす可能性があるときにはパティキュレートフィルタにおける圧損がほとんど増大せず設定値を越えない場合であってもパティキュレートフィルタを再生するためにリーン空燃比のもとでパティキュレートフィルタの温度を上昇させる中間再生手段とを具備している。
【0019】
【発明の実施の形態】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。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の上流側排気ガス圧と下流側排気ガス圧との圧力差、即ちパティキュレートフィルタ22における圧損を検出するための圧力センサ43が取付けられ、この圧力センサ43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。
【0022】
一方、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。
【0023】
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。
【0024】
図3(A)および(B)は図1に示される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。
【0025】
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に隔壁54内を通って隣接する排気ガス流出通路51内に流出する。
本発明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内の排気ガス流通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。
【0026】
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。
【0027】
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。
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
一方、このときパティキュレートフィルタ22の温度が高ければ活性酸素放出剤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。
【0034】
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分程度でもって輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。一方、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。
【0035】
なお、NO2 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。
【0036】
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。
【0037】
これに対して本発明では微粒子62は通常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通常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。従って本発明におけるこの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。
【0038】
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。
【0039】
図5における実線はパティキュレートフィルタ22上における微粒子の酸化速度、即ち例えば1分間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な微粒子量G(g/min)とパティキュレートフィルタ22の温度TFとの関係を示している。即ち、図5に示す曲線パティキュレートフィルタ22に流入する微粒子量が酸化除去可能な微粒子量Gに一致しているバランス点を示している。この曲線上では流入微粒子量と酸化除去される微粒子量が等しいのでパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量は一定に維持される。一方、図5の領域Iでは流入微粒子量が酸化除去可能な微粒子量よりも少なく、従ってこの領域Iの状態が継続すると堆積微粒子量は次第に少なくなる。これに対し図5の領域IIでは流入微粒子量が酸化除去可能な微粒子量よりも多く、従って全ての流入微粒子を酸化しえなくなるのでこの領域IIの状態が継続すると堆積微粒子量は次第に増大する。この場合、堆積した微粒子は堆積してからの時間が経過するにつれて次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、従って領域IIの状態が継続すると堆積した微粒子は次第に酸化しずらくなる。
【0040】
このように、本発明によるパティキュレートフィルタ22を用いると流入微粒子量と酸化除去可能な微粒子量が等しいとき(図5の曲線上)および流入微粒子が酸化除去可能な微粒子量よりも少ないとき(図5の領域I)にはパティキュレートフィルタ22上に堆積した微粒子は順次酸化除去せしめられる。即ち、堆積微粒子は連続酸化せしめられる。これに対して流入微粒子量が酸化可能な微粒子量よりも多いとき(図5の領域II)でも一部の堆積微粒子は連続酸化せしめられるが一部の堆積微粒子は酸化されることなく堆積し、従って流入微粒子量が酸化微粒子量よりも多い状態が継続すると堆積微粒子量は次第に増大する。
【0041】
さて、前述したように本発明による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内の排気ガス流通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活性酸素放出剤が担持されている。更に本発明による実施例ではこの担体上に貴金属触媒、および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NOx 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NOx を放出するNOx 吸収剤が担持されている。
【0042】
本発明による実施例ではこの貴金属触媒として白金Ptが用いられており、NOx 吸収剤としてカリウム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、ランタンLa、イットリウムY、セリウムCeのような希土類から選ばれた少くとも一つが用いられている。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NOx 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。
【0043】
この場合、NOx 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。NOx 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NOx 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、NOx 吸収剤としてカリウムKを用いた場合を例にとってNOx の吸放出作用について説明する。
【0044】
まず初めにNOx の吸収作用について検討するとNOx は図4(A)に示すメカニズムと同じメカニズムでもってNOx 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NOx 吸収剤を示す。
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NOx 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NOx 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NOx 吸収剤61内に吸収される。
【0045】
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NOx 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ティ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NOx 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。
【0046】
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NOx 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NOx 吸収剤61からNOが徐々にしか放出されないためにNOx 吸収剤61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。
ところで前述したようにNOx 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ができる。しかしながら本発明による実施例ではNOx 吸収剤および活性酸素放出剤として同一の金属を用いている。この場合には前述したようにNOx 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・NOx 吸収剤と称する。従って本発明による実施例では図4(A)における符号61は活性酸素放出・NOx 吸収剤を示している。
【0047】
このような活性酸素放出・NOx 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・NOx 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・NOx 吸収剤61に付着するとこの微粒子は排気ガス中に含まれる活性酸素および活性酸素放出・NOx 吸収剤61から放出される活性酸素等によって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NOx 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。
【0048】
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・NOx 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、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からリッチに切換えられると、即ち排気ガス中の酸素濃度が急激に低下すると活性酸素放出・NOx 吸収剤61から活性酸素が一気に放出される。従ってこのときパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子は活性酸素放出・NOx 吸収剤61から放出される活性酸素によって酸化作用が急速に促進される。
【0049】
さて、前述したように流入微粒子が酸化微粒子量よりも多い状態が継続すると堆積微粒子量は次第に増大する。この場合、本発明において用いられるパティキュレートフィルタ22では、機関の運転状態によってパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が増大してもパティキュレートフィルタ22における圧損がほとんど増大しない場合とパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子が増大するとパティキュレートフィルタ22における圧損が増大する場合とが生ずる。次にこのことについて図6(A)および(B)を参照しつつ説明する。
【0050】
図6(A)および(B)はパティキュレートフィルタ22の隔壁54の拡大断面図を示しており、この隔壁54内を矢印で示すように排気ガスが流通する。なお、図6(A)および(B)において斜線で示す部分70はパティキュレートフィルタ22の基材を示しており、基材70の間に形成されている空間は71排気ガスが流通する細孔を示している。また、黒丸72は堆積した微粒子を示している。
【0051】
本発明において用いられているパティキュレートフィルタ22では排気ガス流通細孔71の寸法が従来に比べて大きくされている。更に、パティキュレートフィルタ22の隔壁54の内部においても微粒子の酸化除去作用を行わせるために排気ガス流通細孔71に面する基材70の全表面が例えばアルミナからなる担体の層により覆われており、この担体上に活性酸素放出・NOx 吸収剤61が担持されている。なお、この活性酸素放出・NOx 吸収剤61を用いると図5からわかるように200℃以下の低い温度TFでも微粒子を酸化除去可能となる。
【0052】
本発明におけ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への流入微粒子量が酸化除去可能な微粒子量よりも多いか少ないかにかかわらず通常微粒子は図6(A)に示されるように隔壁54の表面および隔壁54内の基体70の表面上に分散して堆積する。この場合、流入微粒子量が酸化除去可能な微粒子量と等しいか或いは酸化除去可能な微粒子量よりも少ないときには堆積した全微粒子72は順次酸化除去せしめられる。これに対して流入微粒子量が酸化除去可能な微粒子量よりも多くなると一部の微粒子72は酸化除去せしめられるが一部の微粒子72は酸化除去されることなく堆積し続け、その結果堆積微粒子量が徐々に増大することになる。しかしながらこのように堆積微粒子量が徐々に増大してもパティキュレートフィルタ22の排気ガス流通細孔71の寸法が大きく、微粒子が分散して堆積しているのでパティキュレートフィルタ22における圧損はほとんど増大しない。
【0053】
一方、図5(B)に示されるように何らかの理由によって微粒子が排気ガス流通細孔71の入口部に集中的に堆積するとパティキュレートフィルタ22は目詰まりを生じ、斯くしてパティキュレートフィルタ22の圧損が増大する。このようにパティキュレートフィルタ22の圧損の増大は堆積微粒子量が図6(A)に示されるように分散して堆積している場合の堆積微粒子量に比べて少ないときでも生ずる。即ち、パティキュレートフィルタ22の圧損が増大するか否かは堆積微粒子量とは直接関係がなく、微粒子の堆積のしかたに依存している。
【0054】
どのような運転状態のときに図6(B)に示されるようにパティキュレートフィルタ22が目詰まりを生ずるかは経験によりおおよそ予測できる。しかしながら実際の機関の運転状態は複雑に変化するのでパティキュレートフィルタ22が目詰まりを生じた否かを機関の運転状態から判断することは難かしく、従ってパティキュレートフィルタ22が目詰りを生じたか否かはパティキュレートフィルタ22における圧損が増大したか否かから検出する必要がある。
【0055】
これに対し図6(A)に示されるように微粒子が分散して堆積した場合には上述した如くパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子が増大してもパティキュレートフィルタ22における圧損がほとんど増大しない。この場合、パティキュレートフィルタ22における圧損がほとんど増大しないからと言ってそのまま放置しておくと冒頭で述べたように大きな問題を生ずる。即ち、例えば加速運転が行われると燃焼室5内における発熱量が増大すると共に排気ガス量が増大し、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する。次いで、低負荷運転に移行するとパティキュレートフィルタ22の温度が高い状態でパティキュレートフィルタ22内における排気ガスの空間速度が小さくなり、排気ガス中の酸素濃度が高くなるためにパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子が急速に燃焼せしめられる。このときパティキュレートフィルタ22上に多量の微粒子72が堆積していると微粒子72の燃焼によってパティキュレートフィルタ22の温度がかなり上昇し、その結果パティキュレートフィルタ22が溶損したり、或いはパティキュレートフィルタ22上における温度差が激しくなって亀裂が発生するという問題、即ち、パティキュレートフィルタ22が損傷するという問題を生ずる。
【0056】
そこで本発明では、パティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が増大して堆積微粒子の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起こす可能性が生じたときにはパティキュレートフィルタ22における圧損がほとんど増大しない場合であってもパティキュレートフィルタ22を再生するためにリーン空燃比のもとでパティキュレートフィルタ22の温度を上昇させるようにしている。
【0057】
即ち、本発明による実施例では図7に示されるようにパティキュレートフィルタ22における圧損PDが機関の運転状態に応じて予め定められている該設定値MAXを越えると空燃比A/Fがリーンの状態で再生処理が行われ、パティキュレートフィルタ22における圧損PDが設定値MAXよりも低いときであってもパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が堆積微粒子の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起こす可能性のある限界値を越えたと推定されたときには空燃比A/Fがリーンの状態で再生処理が行われる。
【0058】
なお、実際にはパティキュレートフィルタ22が目詰まりする頻度よりもパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量がパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起こす可能性のある限界値を越える頻度の方がはるかに高く、従って図7に示されるようにパティキュレートフィルタ22における圧損PDが設定値MAXを越えたときに行われる再生処理の頻度に比べて、パティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量がパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起こす可能性のある限界値を越えたと推定されたときに行われる再生処理の頻度の方がはるかに高くなる。
【0059】
図7に示される再生処理は、パティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子が着火し燃焼を開始する500℃から600℃にパティキュレートフィルタ22の温度を上昇させ、次いで堆積微粒子の大部分が燃焼し終わるまでパティキュレートフィルタ22の温度を500℃から600℃以上に維持する処理である。この場合、パティキュレートフィルタ22の温度を上昇させる方法は種々の方法がある。例えばパティキュレートフィルタ22の上流端に電気ヒータを配置して電気ヒータによりパティキュレートフィルタ22又はパティキュレートフィルタ22に流入する排気ガスを加熱する方法や、パティキュレートフィルタ22上流の排気通路内に燃料を噴射してこの燃料を燃焼させることによりパティキュレートフィルタ22を加熱する方法や、排気ガス温を上昇させてパティキュレートフィルタ22の温度を上昇させる方法がある。
【0060】
ここで最後の方法、即ち排気ガス温を上昇させる方法について図8を参照しつつ簡単に説明しておく。
排気ガス温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Qm は図8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8の(II)に示されるように主燃料Qm 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が上昇する。
【0061】
また、排気ガス温を上昇させるために図8の(III)に示されるように主燃料Qm に加え、吸気上死点付近において補助燃料Qv を噴射することもできる。このように補助燃料Qv を追加的に噴射すると補助燃料QV 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。
【0062】
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Qv を噴射すると圧縮工程中に圧縮熱によってこの補助燃料Qv 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Qm の反応が加速される。従ってこの場合には図8(III)に示されるように主燃料Qm 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Qm 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。
【0063】
また、図8の(IV)に示されるように主燃料Qm に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Qp 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Qp 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、このとき発生する参加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。
【0064】
ところで前述したように排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のNOx が活性酸素放出・NOx 吸収剤61に吸収される。しかしながらNOx 吸収剤61のNOx 吸収能力には限度があり、活性酸素放出・NOx 吸収剤61のNOx 吸収能力が飽和する前に活性酸素放出・NOx 吸収剤61からNOx を放出させる必要がある。そのためには活性酸素放出・NOx 吸収剤61に吸収されているNOx 量を推定する必要がある。そこで本発明による実施例では単位時間当りのNOx 吸収量Aを要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図9に示すようなマップの形で予め求めておき、この単位時間当りのNOx 吸収量Aを積算することによって活性酸素放出・NOx 吸収剤61に吸収されているNOx 量ΣNOXを推定するようにしている。
【0065】
また、本発明による実施例では図7に示されるようにこのNOx 吸収量ΣNOXが予め定められた許容最大値MAXNを越えたときに活性酸素放出・NOx 吸収剤61に流入する排気ガスの空燃比A/Fを一時的にリッチにし、それによって活性酸素放出・NOx 吸収剤25からNOx を放出させるようにしている。
この場合、空燃比A/Fを一時的にリーンからリッチに切換える方法は種々の方法が存在する。例えば燃焼室5内における平均空燃比をリッチにする方法や、膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室5内に追加の燃料を噴射する方法や、パティキュレートフィルタ22上流の排気通路内に追加の燃料を噴射する方法がある。
【0066】
一方、排気ガス中にはSOx が含まれており、活性酸素放出・NOx 吸収剤61にはNOx ばかりでなくSOx も吸収される。この活性酸素放出・NOx 吸収剤61へのSOx の吸収メカニズムはNOx の吸収メカニズムと同じであると考えられる。
即ち、NOx の吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金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と、前述したように排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素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 が白金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・NOx 吸収剤内に吸収され、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・NOx 吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩K2 SO4 を生成する。
【0067】
しかしながらこの硫酸塩K2 SO4 は安定していて分解しづらく、前述したように活性酸素放出・NOx 吸収剤61からNOx を放出すべく排気ガスの空燃比をリッチにしても硫酸塩K2 SO4 は分解されずにそのまま残る。従って活性酸素放出・NOx 吸収剤61内には時間が経過するにつれて硫酸塩K2 SO4 が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれて活性酸素放出・NOx 吸収剤61が吸収しうるNOx 量が低下することになる。
【0068】
ところがこの硫酸塩K2 SO4 は活性酸素放出・NOx 吸収剤61の温度が活性酸素放出・NOx 吸収剤61により定まる一定温度、例えばほぼ600℃を越えると分解し、このとき活性酸素放出・NOx 吸収剤61に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出・NOx 吸収剤61からSOx は放出される。ただし、活性酸素放出・NOx 吸収剤61からSOx を放出させるには活性酸素放出・NOx 吸収剤61からNOx は放出させる場合に比べてかなり長い時間を要する。
【0069】
そこで本発明による実施例では活性酸素放出・NOx 吸収剤61からSOx を放出すべきときには空燃比がリーンの状態で活性酸素放出・NOx 吸収剤61の温度TFをほぼ600℃まで上昇させ、次いで活性酸素放出・NOx 吸収剤61に流入する排気ガスの空燃比をリッチにして活性酸素放出・NOx 吸収剤61からSOx を放出させるようにしている。この場合、活性酸素放出・NOx 吸収剤61の温度TFをほぼ600℃まで上昇させる方法としては前述した種々の方法を用いることができる。
【0070】
ところで、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NOx に対する酸化作用が低下するためにNOx の吸収効果が低下し、斯くして活性酸素放出・NOx 吸収剤61からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Pt表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比がリッチからリーンに切換えられたときにNOx に対する酸化作用が強まる。従ってNOx の吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出・NOx 吸収剤61からの活性酸素放出量が増大する。
【0071】
従って図7に示されるように空燃比A/Fがリーンに維持されているときに空燃比A/F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A/F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。
【0072】
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(Ce2 O3 →2CeO2)、空燃比がリッチになると活性酸素を放出する(2CeO2 →Ce2 O3)機能を有する。従って活性酸素放出・NOx 吸収剤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・NOx 吸収剤61から放出された活性酸素等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・NOx 吸収剤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・NOx 吸収剤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。
【0073】
次に図10を参照しつつ活性酸素放出・NOx 吸収剤61からNOx を放出すべきときにセットされるNOx 放出フラグおよび活性酸素放出・NOx 吸収剤61からSOx を放出すべきときにセットされるSOx 放出フラグの処理ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
【0074】
図10を参照するとまず初めにステップ100において図9に示すマップから単位時間当りのNOx 吸収量Aが算出される。次いでステップ101ではNOx 吸収量ΣNOXにAが加算される。次いでステップ102ではNOx 吸収量ΣNOXが許容最大値MAXNを越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAXNになるとステップ103に進み、NOx を放出すべきことを示すNOx 放出フラグがセットされる。次いでステップ104に進む。
【0075】
ステップ104では噴射量Qに定数kを乗算した積k・QがΣSOXに加算される。燃料中にはほぼ一定量の硫黄Sが含まれており、従って活性酸素放出・NOx 吸収剤61に吸収されるSOx 量はk・Qで表わすことができる。従ってこのk・Qを順次積算することによって得られるΣSOXは活性酸素放出・NOx 吸収剤61に吸収されていると推定されるSOx 量を表わしている。ステップ105ではこのSOx 量ΣSOXが許容最大値MAXSを越えたか否かが判別され、ΣSOX>MAXSになるとステップ106に進んでSOx 放出フラグがセットされる。
【0076】
次に図11を参照しつつ本発明による運転制御について説明する。
図11を参照すると、まず初めにステップ200においてパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量がパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起こす可能性のある限界値を越えたか否かの推定に基づいてパティキュレートフィルタ22の再生を行う中間再生制御が実行される。次いでステップ300では活性酸素放出・NOx 吸収剤61からNOx を放出するためのNOx 放出制御が実行される。次いでステップ400ではパティキュレートフィルタ22における圧損が設定値を越えたときにパティキュレートフィルタ22の再生を行う本再生制御が実行される。次いでステップ500では活性酸素放出・NOx 吸収剤61からSOx を放出するためのSOx 放出制御が実行される。
【0077】
次にこれら中間再生制御、NOx 放出制御、本再生制御、SOx 放出制御について順次説明する。
まず初めに図12を参照しつつ図11のステップ200において実行される中間再生制御の第1実施例について説明する。この第1実施例ではパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子Wn+1 を計算により求め、この堆積微粒子量Wn+1 が予め定められた限界値WXを越えたときにパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量がパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起こす可能性のある限界値を越えたと判断してパティキュレートフィルタ22を再生するようにしている。
【0078】
即ち、図12を参照するとまず初めにステップ201においてパティキュレートフィルタ22に単位時間当り流入する流入微粒子量M、即ち単位時間当り機関から排出される排出微粒子量Mが算出される。この排出微粒子量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13(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13(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13(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13(B)に示すマップの形で求めROM32内に記憶されている。
【0079】
次いでステップ202では次式に基づいてパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量Wn+1 が算出される。
Wn+1 =M+Wn −G
ここでMは上述したように単位時間当りの排出微粒子量を示し、Wn は前回の処理サイクルのときに算出されたパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量を示し、Gは図5に示される単位時間当りの酸化除去可能微粒子量を示している。即ち、単位時間当りに新たに堆積する微粒子量はMであり、単位時間当りに酸化除去される微粒子量はGであるので最終的な堆積微粒子量Wn+1 は上式で表わされることになる。
【0080】
次いでステップ203では堆積微粒子量Wn+1 が限界値WXを越えたか否かが判別される。Wn+1 >WXになるとステップ204に進んでパティキュレートフィルタ22の再生処理が行われる。この再生処理ではパティキュレートフィルタ22を再生すべき目標再生時間が予め設定されており、この予め定められた目標再生時間だけパティキュレートフィルタ22の再生制御が行われる。パティキュレートフィルタ22の再生処理が完了するとステップ205に進んでWn が零とされ、次いで図11のステップ300において実行されるNOx 放出制御へ進む。
【0081】
なお、機関始動時には通常、パティキュレートフィルタ22の温度が低く、従って上式における酸化除去可能微粒子量Gは機関始動後暫くの間零又は零に近い状態が継続する。従って機関の始動が行われると通常堆積微粒子量Wn+1 が増大し続けて限界値を越え、従って機関の始動が行われると通常パティキュレートフィルタ22の再生処理が実行される。
【0082】
次に図11のステップ200において実行される中間再生処理の第2の実施例について説明する。パティキュレートフィルタ22上の堆積微粒量がパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起こす可能性のある限界値を越えたか否かはある程度推定することができる。例えば機関の始動が行われたときには上述したように通常堆積微粒子が限界値を越える。従って機関の始動が行われたときにはパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が限界値を越えたと推定することができる。
【0083】
また、機関の運転状態がある期間以上継続するとパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が限界値を越えると考えられる。従って機関の運転時間、機関回転数の累積値又は車両走行距離が予め定められた値を越えたときにもパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が限界値を越えたと推定することができる。
【0084】
従ってこの第2実施例ではパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が限界値を越えたと推定されるときにはパティキュレートフィルタ22を再生するようにしている。
即ち、この第2実施例を実行するための図14を参照するとまず初めにステップ211においてパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が限界値を越えたと推定されるか否かが判別される。パティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量が限界値を越えたと推定されるときにはステップ212に進んでパティキュレートフィルタ22の再生処理が行われ、次いでNOx 放出制御へ進む。この再生処理でもパティキュレートフィルタ22を再生すべき目標再生時間が予め設定されており、この予め定められた目標再生時間だけパティキュレートフィルタ22の再生制御が行われる。
【0085】
次に図11のステップ200において実行される中間再生制御の第3の実施例について説明する。前述したように図12に示す中間再生制御の第1実施例および図14に示す中間再生制御の第2実施例では目標再生時間が予め設定されており、予め設定された目標再生時間だけパティキュレートフィルタ22の再生制御が行われる。しかしながらパティキュレートフィルタ22の実際の再生作用はパティキュレートフィルタ22の温度が微粒子を着火し燃焼しうる温度に達しないと開始されない。従ってこの第3実施例ではパティキュレートフィルタ22の実際の再生作用が開始されたときから目標再生時間だけパティキュレートフィルタ22の再生制御を行うようにしている。次にこのことについて図15を参照しつつ説明する。
【0086】
図15(A)はパティキュレートフィルタ22の再生制御、即ち昇温制御が開始されてからのパティキュレートフィルタ22の上流端の温度TFの変化を示している。また、図15(A)においてTFXは微粒子の燃焼が開始される温度を示している。図15(A)に示されるように再生制御が開始されるとパティキュレートフィルタ22の上流端の温度TFが上昇を開始し、パティキュレートフィルタ22の上流端の温度TFが500℃から600℃程度の燃焼開始温度TFXに達するとパティキュレートフィルタ22の上流端において堆積微粒子の燃焼が開始される。しかしながらこのときパティキュレートフィルタ22の上流端以外の温度は燃焼開始温度TFXよりも短く、パティキュレートフィルタ22の全体の温度TFが燃焼開始温度TFX以上になるには若干時間がかかる。この時間、即ちTFがTFXとなってからパティキュレートフィルタ22の全体で燃焼が開始されるまでの遅れ時間が図15(A)においてΔtで示されている。
【0087】
この遅れ時間Δtは排気ガス温が高いほど短かくなり、排気ガス量が多いほど短かくなる。即ち、この遅れ時間Δtは図15(B)に示されるような関係(Δt1 >Δt2 >Δt3 >Δt4 >Δt5)を有する。この第3実施例では図15(B)に示す関係から遅れ時間Δtを算出し、TFがTFXとなった後遅れ時間Δtが経過したときから目標再生時間だけパティキュレートフィルタ22の再生制御を行うようにしている。
【0088】
なお、図1に示されるように本発明による実施例では温度センサ39によりパティキュレートフィルタ22の上流端の温度を検出しているので上述の如き遅れ時間Δtを考慮する必要が生じてくる。従って、温度センサによってパティキュレートフィルタ22の全体において微粒子の燃焼が開始するときの温度を検出できる場合にはこのような遅れ時間を考慮する必要がなくなる。
【0089】
また、この第3実施例ではパティキュレートフィルタ22の再生制御中に例えば機関が停止するとによって再生が中断した場合についても考慮されている。即ち、この第3実施例では、再生制御が中断した後再開されたときは中断時における目標再生時間の残り時間にパティキュレートフィルタ22全体の温度を再生開始温度まで上昇させるのに必要な時間を加算してこの加算した時間を新たな目標再生時間とするようにしている。
【0090】
図16および図17はこの第3実施例を実行するための中間再生制御ルーチンを示している。
図16および図17を参照するとまず初めにステップ221において再生制御が行われていることを示す再生フラグがセットされているか否かが判別される。再生フラグがセットされていないときにはステップ222に進んで図13(B)に示すマップから単位時間当りの排出微粒子量Mが算出される。次いでステップ223では次式に基づいてパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量Wn+1 が算出される。
【0091】
Wn+1 =M+Wn −G
ここでMは上述したように単位時間当りの排出微粒子量を示し、Wn は前回の処理サイクルのときに算出されたパティキュレートフィルタ22上の堆積微粒子量を示し、Gは図5に示される単位時間当りの酸化除去可能微粒子量を示している。
【0092】
次いでステップ224では堆積微粒子量Wn+1 がパティキュレートフィルタ22の損傷をひき起す可能性のある限界値WXを越えたか否かが判別される。Wn+1 ≦WXのときには図11のステップ300において実行されるNOx 放出制御に進む。これに対してWn+1 >WXになるとステップ225に進んで再生フラグがセットされ、次いでステップ226に進んで目標再生時間tn が設定される。次いでステップ227に進んで再生制御が開始される。再生フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ221からステップ227にジャンプする。
【0093】
次いでステップ228では実際に再生が開始されたことを示す再生開始フラグがセットされているか否かが判別される。再生フラグがセットされた後、初めてステップ228に進んだときには再生開始フラグはリセットされており、従ってこのときにはステップ229に進む。ステップ229では温度センサ39により検出されたパティキュレートフィルタ22の温度TFが燃焼開始温度TFXよりも高くなったか否かが判別される。TF≦TFXのときにはNOx 放出制御に進む。これに対してTF>TFXになるとステップ230に進む。
【0094】
ステップ230では図15(B)に示す関係から遅れ時間Δtが算出される。次いでステップ231では遅れ時間Δtが経過したか否かが判別される。遅れ時間Δtが経過していないときにはNOx 放出制御に進む。これに対して遅れ時間Δtが経過したときにはパティキュレートフィルタ22の全体において再生作用が開始されたと判断し、ステップ232に進んで再生開始フラグがセットされる。次いでステップ233に進む。再生開始フラグがセットされると次に処理サイクルではステップ228からステップ233にジャンプする。
【0095】
ステップ233ではパティキュレートフィルタ22の全体において再生作用が開始されてからの経過時間tに一定時間αが加算される。次いでステップ234では再生制御が中断された否かが判別される。再生制御が中断されていないときにはステップ235に進んで経過時間tが目標再生時間tn を越えたか否かが判別される。t≦tn のときにはNOx 放出制御に進む。これに対してt>tn になるとステップ236に進んで再生制御が停止され、次いでステップ237において再生フラグおよび再生開始フラグがリセットされる。次いでステップ238に進んで堆積微粒子量Wn および経過時間tが零とされる。
【0096】
即ち、再生制御中に再生制御が中断しない場合にはパティキュレートフィルタ22の全体において再生作用が開始されてから目標再生時間tn が経過するまでパティキュレートフィルタ22の再生作用が行われる。
一方、ステップ234において再生制御が中断されたと判別されたときにはステップ239に進んで再生制御を中断すべき状態が解除されるまで、例えば機関の運転が停止されることによって再生制御が中断したときには機関の運転が再開されるまで中間再生制御が停止される。次いでステップ240では再生開始フラグがリセットされる。このとき経過時間tは目標再生時間tn の残りの時間を表わしており、この残りの時間tはそのまま記憶される。
【0097】
さて、再生制御が中断されても再生フラグはセットされ続ける。従って再生制御を中断すべき状態が解除されたときにはステップ221からステップ227にジャンプして再生制御が開始され、このとき再生開始フラグはリセットされているのでステップ229,230,231においてTF>TFXになってから遅れ時間Δtが経過したか否かが判別される。TF>TFXになってから遅れ時間Δtが経過するとステップ232を経てステップ233に進み、経過時間tへの一定時間αの加算作用が開始される。即ち、再生制御が中断されたときの目標再生時間tn の残りの時間tが新たな目標再生時間とされ、再生制御が再び中断されない限りこの新たな目標再生時間だけ再生作用が行われる。この再生作用中にもし、再生制御が再び中断した場合には再生制御を中断すべき状態が解除されたときに上述の新たな目標再生時間の残り時間について再び再生作用が行われる。
【0098】
次に図11のステップ300において実行されるNOx 放出制御を示す図18について説明する。
図18を参照するとまず初めにステップ301においてNOx 放出フラグがセットされているか否かが判別される。NOx 放出フラグがセットされていないときには図11のステップ400において実行される本再生制御に進む。これに対してNOx 放出フラグがセットされるとステップ302に進んで空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に一時的に切換えるリッチ処理が行われる。このリッチ処理が行われると活性酸素放出・NOx 吸収剤61からNOx が放出される。また、このとき活性酸素放出・NOx 吸収剤61から放出される活性酸素によって堆積微粒子の酸化作用が促進される。リッチ処理が完了するとステップ303に進んでΣNOXがクリアされ、次いでステップ304においてNOx 放出フラグがリセットされる。次いで本再生制御へ進む。
【0099】
次に図11のステップ400において実行される本再生制御を示す図19について説明する。
図19を参照するとまず初めにステップ401において目詰まりしたパティキュレートフィルタ22を再生すべきであることを示す本再生フラグがセットされているか否かが判別される。通常、本再生フラグはセットされていないのでステップ402に進み、圧力センサ43により検出されたパティキュレートフィルタ22における圧損PDが設定値MAXを越えたか否かが判別される。PD≦MAXのときには図11のステップ500において実行されるSOx 放出制御に進む。これに対してPD>MAXになるとステップ403に進んで本再生フラグがセットされ、次いでステップ404に進んでパティキュレートフィルタ22の再生制御が開始される。本再生フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ401からステップ404にジャンプする。
【0100】
次いでステップ405では圧損PDが下限値MINよりも低くなったか否か、即ちパティキュレートフィルタ22の目詰まりが解消されたか否かが判別される。PD≧MINのときには図11のステップ500において実行されるSOx 放出制御をジャンプしてENDへ進み、パティキュレートフィルタ22の目詰まりを解消するための再生作用が続行される。PD<MINになるとステップ406に進んで再生制御が停止され、次いでステップ407において本再生フラグがリセットされる。
【0101】
図1に示す実施例ではパティキュレートフィルタ22の上流側と下流側の圧力差から圧損PDを検出している。しかしながらパティキュレートフィルタ22の上流側のみの圧力を検出し、この圧力から圧損PDを検出することもできる。また、圧損PDが増大するとEGR制御弁25の開度が同一であればEGRガス量が増大し、このとき吸入空気量が変化しないようにEGR制御弁25を制御するとEGR制御弁25の開度が減少せしめられる。即ち、EGRガス量の変化或いはEGR制御弁25の開度の変化から圧損PDを検出することができることになる。本発明において圧損PDを検出するとはこれら種々の方法によって圧損PDを検出する場合を含んでいる。
【0102】
次に図11のステップ500において実行されるSOx放出制御について説明する。
前述したように活性酸素放出・NOx吸収剤61からSOxを放出すべきときには空燃比がリーンの状態で活性酸素放出・NOx吸収剤61の温度TFをほぼ600℃まで上昇させ、次いで活性酸素放出・NOx吸収剤61に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。この場合もパティキュレートフィルタ22の温度TFが図15(A)に示されるようにSOx放出温度TFXXに達した後パティキュレートフィルタ22全体の温度TFがSOx放出温度TFXXに達するまでの遅れ時間Δtが算出され、遅れ時間Δtが経過したときから予め定められた目標SOx放出時間だけ昇温制御を継続しつつ空燃比をリッチにして活性酸素放出・NOx吸収剤61からSOx放出せしめられる。
【0103】
また、このSOx放出制御でもSOx放出制御中に例えば機関が停止させることによってSOxの放出制御が中断された場合について考慮されている。即ち、このSOx放出制御ではSOx放出制御が中断した後再開されたときは中断時における目標SOx放出時間の残り時間にパティキュレートフィルタ全体の温度をSOx放出温度まで上昇させるのに必要な時間を加算してこの加算した時間を新たな目標SOx放出時間とするようにしている。
【0104】
図20および図21はこのSOx放出制御を実行するためのルーチンを示している。
図20および図21を参照するとまず初めにステップ501においてSOx放出制御が実行されていることを示す実行中フラグがセットされているか否かが判別される。実行中フラグがセットされていないときにはステップ502に進んでSOx放出フラグがセットされているか否かが判別される。SOx放出フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。これに対してSOx放出フラグがセットされたときにはステップ503に進んで実行中フラグがセットされ、次いでステップ504に進んで目標SOx放出時間tmが設定される。次いでステップ505に進んで昇温制御が開始される。実行中フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ501からステップ505にジャンプする。
【0105】
次いでステップ506ではSOx の放出が開始されたことを示す放出開始フラグがセットされているか否かが判別される。実行中フラグがセットされた後、初めてステップ506に進んだときには放出開始フラグはリセットされており、従ってこのときにはステップ507に進む。ステップ507では温度センサ39により検出されたパティキュレートフィルタ22の温度TFがSOx 放出温度TFXXよりも高くなったか否かが判別される。TF≦TFXXのときには処理サイクルを完了する。これに対してTF>TFXXになるとステップ508に進む。
【0106】
ステップ508では図15(B)に示す関係から遅れ時間Δtが算出される。次いでステップ509では遅れ時間Δtが経過したか否かが判別される。遅れ時間Δtが経過していないときには処理サイクルを完了する。これに対して遅れ時間Δtが経過したときにはパティキュレートフィルタ22の全体においてSOx の放出が開始されたと判断し、ステップ510に進んで放出開始フラグがセットされる。次いでステップ511に進む。放出開始フラグがセットされると次に処理サイクルではステップ506からステップ511にジャンプする。
【0107】
ステップ511では空燃比を理論空燃比よりもわずかばかりリッチにするリッチ処理が開始される。次いでステップ512ではパティキュレートフィルタ22の全体においてSOxの放出作用が開始されてからの経過時間tに一定時間αが加算される。次いでステップ513ではSOx放出制御が中断された否かが判別される。SOx放出制御が中断されていないときにはステップ514に進んで経過時間tが目標SOx放出時間tmを越えたか否かが判別される。t≦tmのときには処理サイクルを完了する。これに対してt>tmになるとステップ515に進んで昇温制御が停止され、次いでステップ516ではリッチ処理が停止される。次いでステップ517ではSOx放出フラグ、実行中フラグおよび放出開始フラグがリセットされる。次いでステップ518に進んでSOx吸収量ΣSOXおよび経過時間tが零とされる。
【0108】
即ち、SOx 放出作用中にSOx 放出制御が中断しない場合にはパティキュレートフィルタ22の全体においてSOx の放出作用が開始されてから目標SOx 放出時間tm が経過するまでSOx 放出作用が行われる。
一方、ステップ513においてSOx 放出制御が中断されたと判断されたときにはステップ519に進んでSOx 放出制御を中断すべき状態が解除されるまで、例えば機関の運転が停止されることによってSOx 放出制御が中断したときには機関の運転が再開されるまでSOx 放出制御が停止される。次いでステップ520では放出開始フラグがリセットされる。このとき経過時間tは目標SOx 放出時間tm の残りの時間を表わしており、この残りの時間tはそのまま記憶される。
【0109】
さて、SOx放出制御が中断されても実行中フラグはセットされ続ける。従ってSOx放出制御を中断すべき状態が解除されたときにはステップ501からステップ505にジャンプして昇温制御が開始され、このとき放出開始フラグはリセットされているのでステップ507,508,509においてTF>TFXXになってから遅れ時間Δtが経過したか否かが判別される。TF>TFXXになってから遅れ時間Δtが経過するとステップ510を経てステップ511に進み、リッチ処理が開始される。次いでステップ512に進み、経過時間tへの一定時間αの加算作用が開始される。即ち、SOx放出制御が中断されたときの目標SOx放出時間tmの残りの時間tが新たな目標SOx放出時間とされ、SOx放出制御が再び中断されない限りこの新たな目標SOx放出時間だけSOx放出作用が行われる。このSOx放出作用中にもし、SOx放出制御が再び中断した場合にはSOx放出制御を中断すべき状態が解除されたときに上述の新たな目標SOx放出時間の残り時間について再びSOx放出作用が行われる。
【0110】
最後に図22から図26を参照して本発明によるパティキュレートフィルタ22を用いた場合に特に適している低温燃焼方法について説明する。
図1に示される内燃機関ではEGR率(EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量))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22を参照しつつ説明する。なお、図22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。
【0111】
図22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22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22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。
【0112】
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。
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずスモークの発生即ち、微粒子の排出を抑制しつつNOx の発生量を低減することができるという特徴を有する。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、斯くしてほとんどスモークが発生しない。また、このときNOx も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、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ほとんど発生せず、NOx も極めて少量しか発生しない。
【0113】
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23(A),(B)を参照しつつ説明する。
図23(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23(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23(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23(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。
【0114】
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23(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23(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。
【0115】
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23(B)の実線で示されるようにEGRガスの吸熱作用により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23(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23(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23(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。
【0116】
ただし、機関の要求トルクTQが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図24において領域Iは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室5の不活性ガス量が多い第1の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域IIは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第2の燃焼、即ち通常の燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。
【0117】
図25は運転領域Iにおいて低温燃焼を行う場合の目標空燃比A/Fを示しており、図26は運転領域Iにおいて低温燃焼を行う場合の要求トルクTQに応じたスロットル弁17の開度、EGR制御弁25の開度、EGR率、空燃比、噴射開始時期θS、噴射完了時期θE、噴射量を示している。なお、図26には運転領域IIにおいて行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁17の開度等も合わせて示している。図25および図26から運転領域Iにおいて低温燃焼が行われているときにはEGR率が55パーセント以上とされ、空燃比A/Fが15.5から18程度のリーン空燃比とされることがわかる。
【0118】
パティキュレートフィルタ22による微粒子の酸化除去能力が低下するのは排気ガス温が低くなる機関低負荷運転時である。ところが機関低負荷運転時に低温燃焼を行うと前述したように排気ガス温は上昇し、しかもスモークの発生量、即ち排出微粒子量が極めて少なくなるので機関低負荷運転時であってもパティキュレートフィルタ22の全ての堆積微粒子を連続的に酸化除去することができることになる。また、前述したように運転領域Iにおいて低温燃焼が行われているときには空燃比をリッチにしてもスモークはほとんど発生しない。従って低温燃焼を行うとスモークの発生を伴なうことなく活性酸素放出・NOx 吸収剤61からNOx およびSOx を放出させることができる。更に、機関運転中に通常の燃焼から低温燃焼に切換えるとパティキュレートフィルタ22の温度TFを上昇させることができる。即ち、パティキュレートフィルタ22を昇温するために低温燃焼を用いることもできる。
【0119】
【発明の効果】
パティキュレートフィルタが損傷するのを阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】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】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図6】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面図を示す図である。
【図7】再生処理等を説明するためのタイムチャートである。
【図8】噴射制御を説明するための図である。
【図9】NOx 吸収量Aのマップを示す図である。
【図10】NOx 放出フラグおよびSOx 放出フラグを処理するためのフローチャートである。
【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】中間再生制御の第1実施例を実行するためのフローチャートである。
【図13】排出微粒子量を示す図である。
【図14】中間再生制御の第2実施例を実行するためのフローチャートである。
【図15】再生制御を説明するための図である。
【図16】中間再生制御の第3実施例を実行するためのフローチャートである。
【図17】中間再生制御の第3実施例を実行するためのフローチャートである。
【図18】NOx 放出制御を実行するためのフローチャートである。
【図19】本再生制御を実行するためのフローチャートである。
【図20】SOx 放出制御を実行するためのフローチャートである。
【図21】SOx 放出制御を実行するためのフローチャートである。
【図22】スモークの発生量を示す図である。
【図23】燃焼室内のガス温等を示す図である。
【図24】運転領域I,IIを示す図である。
【図25】空燃比A/Fを示す図である。
【図26】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【符号の説明】
5…燃焼室
6…燃料噴射弁
22…パティキュレートフィルタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a diesel engine, in order to remove particulates contained in the exhaust gas, a particulate filter is disposed in the engine exhaust passage, and particulates in the exhaust gas are once collected by this particulate filter, and the particulate filter The particulate filter is regenerated by igniting and burning the fine particles collected above. However, the fine particles collected on the particulate filter are not ignited unless the temperature is about 600 ° C. or higher. On the other hand, the exhaust gas temperature of a diesel engine is usually much lower than 600 ° C. Therefore, it is difficult to ignite the particulates collected on the particulate filter with the exhaust gas heat. In order to ignite the particulates collected on the particulate filter with the exhaust gas heat, the ignition temperature of the particulates is required. Must be lowered.
[0003]
By the way, it has been conventionally known that if the catalyst is supported on the particulate filter, the ignition temperature of the fine particles can be lowered. Therefore, various particulate filters supporting the catalyst are conventionally known in order to lower the ignition temperature of the fine particles. is there.
For example, Japanese Patent Publication No. 7-106290 discloses a particulate filter in which a mixture of a platinum group metal and an alkaline earth metal oxide is supported on a particulate filter. In this particulate filter, fine particles are ignited at a relatively low temperature of about 350 ° C. to 400 ° C., and then burned continuously.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When the catalyst is thus supported on the particulate filter, the fine particles can be continuously burned at a relatively low temperature of 350 ° C. to 400 ° C. However, in an actual diesel engine, the temperature of the particulate filter may continue to be 350 ° C. or lower, and in this case, particulates continue to accumulate on the particulate filter, and eventually the particulate filter is clogged. Will occur. Even if the temperature of the particulate filter is maintained at 350 ° C. to 400 ° C., if a large amount of fine particles are continuously discharged from the engine, the particulate filter will be clogged in this case as well. However, in the diesel engine described in the above-mentioned publication, it is not assumed that the particulate filter is clogged in this way. Therefore, no consideration is given to the countermeasure when the particulate filter is clogged. Absent.
[0005]
On the other hand, in most conventional particulate filters, fine particles deposited on the surface of the particulate filter are burned on the surface of the particulate filter. On the other hand, the present inventor has been working on the development of a particulate filter capable of oxidizing and removing particulates accumulated in the particulate filter inside the particulate filter, and the particulate filter currently being developed has particulates in the particulate filter. In order to make it easy to enter the inside, the size of the exhaust gas circulation pores in the particulate filter is formed large.
[0006]
In this way, if the size of the exhaust gas flow pores in the particulate filter is increased, the particulate filter may clog depending on how the particulates are deposited, but normally it will not clog, and even if particulates accumulate. The pressure loss in the particulate filter hardly increases. That is, if the size of the exhaust gas flow pores in the particulate filter is increased, the pressure loss in the particulate filter almost increases even if the amount of particulates deposited on the particulate filter increases due to the operating state of the engine as will be described in detail later. If the amount of deposited fine particles on the particulate filter is not increased, the pressure loss in the particulate filter is increased.
[0007]
By the way, when the pressure loss in the particulate filter increases, that is, when the particulate filter is clogged, it is necessary to burn and remove the deposited fine particles as soon as possible. In other words, it is necessary to regenerate the particulate filter. In this case, whether or not the pressure loss in the particulate filter has increased can be easily detected by using a pressure sensor or the like. Therefore, also in the present invention, the pressure loss detected by detecting the pressure loss in the particulate filter sets the set value. When it exceeds, the particulate filter is played back.
[0008]
However, as described above, when the size of the exhaust gas circulation pores is increased, there is a case where the pressure loss in the particulate filter hardly increases even if the deposited fine particles on the particulate filter increase. In this case, if the pressure loss in the particulate filter is hardly increased, it will cause a big problem if it is left as it is. That is, for example, when acceleration operation is performed, the amount of heat generated in the combustion chamber increases and the amount of exhaust gas increases, resulting in a rapid rise in the temperature of the particulate filter. Next, when the operation shifts to a low load operation, the space velocity of the exhaust gas in the particulate filter decreases while the temperature of the particulate filter is high, and the oxygen concentration in the exhaust gas increases. Burned rapidly. At this time, if a large amount of fine particles are accumulated on the particulate filter, the temperature of the particulate filter rises considerably due to the combustion of the fine particles. As a result, the particulate filter melts down, or the temperature difference on the particulate filter becomes severe. This causes a problem that cracks occur, that is, a problem that the particulate filter is damaged.
[0009]
The purpose of the present invention is that when the pressure loss in the particulate filter exceeds the set value, the particulate filter is maintained at a considerably low value with respect to the set value, as well as reusing the particulate filter. It is another object of the present invention to provide an exhaust gas purifying apparatus in which a particulate filter is regenerated as necessary to prevent the particulate filter from being damaged.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
BookIn the invention, in order to achieve the above object, a particulate filter for collecting particulates in the exhaust gas is disposed in the engine exhaust passage,A noble metal catalyst is supported on the particulate filter,In an internal combustion engine that can continuously oxidize and remove particulate deposits on a particulate filter without generating a bright flame when combustion is continuously performed under a lean air-fuel ratio, As a filter, the pressure loss in the particulate filter increases when the amount of deposited particulate on the particulate filter hardly increases even when the amount of particulate deposited on the particulate filter increases due to the operating state of the engine and when the amount of particulate deposited on the particulate filter increases Use a particulate filter that may beThere is a demand for a relationship between the amount of particulates that can be oxidized and removed without emitting a luminous flame per unit time and the temperature of the particulate filter, and the amount of particulates that can be removed by oxidation determined from the temperature of the particulate filter and discharged from the engine. A calculating means for calculating the amount of deposited fine particles on the particulate filter based on the amount of fine particles;Detection means for detecting pressure loss in the particulate filter, and main regeneration means for raising the temperature of the particulate filter to regenerate the particulate filter when the pressure loss detected by the detection means exceeds a set value;Calculated by calculation meansWhen the amount of deposited particulate on the particulate filter increases and the particulate filter may be damaged by the heat of oxidation of the deposited particulate, the pressure loss in the particulate filter hardly increases and does not exceed the set value. In order to regenerate the particulate filter, intermediate regeneration means for raising the temperature of the particulate filter under a lean air-fuel ratio is provided.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine. The present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
On the other hand, a
[0023]
FIG. 2A shows the relationship between the required torque TQ, the amount of depression L of the
[0024]
3A and 3B show the structure of the
[0025]
The
In the embodiment according to the present invention, the peripheral wall surfaces of the exhaust
[0026]
In this case, platinum Pt is used as a noble metal catalyst in the examples according to the present invention, and alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca as active oxygen release agents. At least one selected from alkaline earth metals such as strontium Sr, rare earths such as lanthanum La, yttrium Y and cerium Ce, and transition metals such as tin Sn and iron Fe is used.
[0027]
In this case, as the active oxygen release agent, an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, strontium Sr, or cerium is used. It is preferable to use Ce.
Next, the action of removing particulates in the exhaust gas by the
[0028]
In a compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1, combustion is performed under an excess of air, and therefore the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, when the ratio of air and fuel supplied into the intake passage, the
[0029]
4A and 4B schematically show enlarged views of the surface of the carrier layer formed on the inner peripheral surface of the exhaust
As described above, since a large amount of excess oxygen is contained in the exhaust gas, when the exhaust gas flows into the exhaust
[0030]
On the other hand, as described above, the exhaust gas contains SO.2 Is also included, this SO2 Is absorbed into the active
[0031]
On the other hand, fine particles mainly made of carbon C are generated in the
[0032]
When the
[0033]
On the other hand, if the temperature of the
[0034]
On the other hand, the oxygen O toward the contact surface between the
[0035]
NO2 Is a nitrate ion NO in the active
[0036]
When the particulates deposited in a laminated form on the
[0037]
On the other hand, in the present invention, the
[0038]
By the way, platinum Pt and the active
[0039]
The solid line in FIG. 5 indicates the oxidation rate of the fine particles on the
[0040]
Thus, when the
[0041]
As described above, in the embodiment according to the present invention, a carrier layer made of alumina, for example, is formed on both side surfaces of each
[0042]
In the examples according to the present invention, platinum Pt is used as the noble metal catalyst, and NO.x As an absorbent, alkaline metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, alkaline earths such as barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr, rare earths such as lanthanum La, yttrium Y, and cerium Ce At least one selected from is used. As can be seen from comparison with the metal constituting the active oxygen release agent described above, NOx The metal that constitutes the absorbent and the metal that constitutes the active oxygen release agent are mostly the same.
[0043]
In this case, NOx Different metals can be used as the absorbent and the active oxygen release agent, respectively, or the same metal can be used. NOx NO when using the same metal as the absorbent and active oxygen release agentx Both the function as an absorbent and the function as an active oxygen release agent are performed simultaneously.
Next, using platinum Pt as a noble metal catalyst, NOx NO when taking potassium K as an absorbentx The absorption / release action will be described.
[0044]
First of all NOx When the absorption action of NO is examined, NOx Is NO with the same mechanism as shown in FIG.x Absorbed by absorbent. In this case, however,
That is, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0045]
On the other hand, when the exhaust gas flowing into the
[0046]
In this case, even if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
By the way, as mentioned above, NOx Different metals can be used as the absorbent and the active oxygen release agent. However, in embodiments according to the present invention, NOx The same metal is used as the absorbent and the active oxygen release agent. In this case, as described above, NOx The function of both the function as an absorbent and the function as an active oxygen release agent will be performed at the same time.x It is called an absorbent. Therefore, in the embodiment according to the present invention,
[0047]
Such active oxygen release / NOx When the absorbent 61 is used, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0048]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0049]
Now, as described above, when the inflowing particulates continue to be larger than the oxidized particulate amount, the amount of deposited particulates gradually increases. In this case, in the
[0050]
6A and 6B are enlarged sectional views of the
[0051]
In the
[0052]
In the
[0053]
On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the fine particles are concentrated on the inlet portion of the exhaust
[0054]
It can be roughly estimated by experience whether the
[0055]
On the other hand, when fine particles are dispersed and deposited as shown in FIG. 6A, the pressure loss in the
[0056]
Therefore, in the present invention, when the amount of deposited particulates on the
[0057]
That is, in the embodiment according to the present invention, as shown in FIG. 7, when the pressure loss PD in the
[0058]
In practice, the frequency at which the amount of particulate matter deposited on the
[0059]
The regeneration process shown in FIG. 7 raises the temperature of the
[0060]
Here, the last method, that is, a method of raising the exhaust gas temperature will be briefly described with reference to FIG.
One effective method for raising the exhaust gas temperature is to retard the fuel injection timing until after compression top dead center. That is, the normal main fuel Qm Is injected in the vicinity of the compression top dead center as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 8 (II), the main fuel Qm When the injection timing is delayed, the afterburning period becomes longer, and thus the exhaust gas temperature rises. As the exhaust gas temperature increases, the temperature TF of the
[0061]
Further, in order to raise the exhaust gas temperature, as shown in FIG.m In addition to the auxiliary fuel Q near the intake top dead centerv Can also be injected. Thus, auxiliary fuel Qv When additional fuel is injected, auxiliary fuel QV Since the amount of fuel combusted by the amount increases, the exhaust gas temperature rises, and thus the temperature TF of the
[0062]
On the other hand, the auxiliary fuel Q in the vicinity of the intake top dead center in this way.v Is injected by the heat of compression during the compression process.v From these, intermediate products such as aldehydes, ketones, peroxides, carbon monoxide and the like are produced, and these intermediate products produce main fuel Q.m The reaction is accelerated. Therefore, in this case, as shown in FIG.m Even if the injection timing is greatly delayed, good combustion can be obtained without causing misfire. That is, the main fuel Qm Therefore, the exhaust gas temperature becomes considerably high, so that the temperature TF of the
[0063]
Further, as shown in FIG. 8 (IV), the main fuel Qm In addition to the auxiliary fuel Q during the expansion stroke or the exhaust strokep Can also be injected. That is, in this case, most of the auxiliary fuel Qp Is discharged into the exhaust passage in the form of unburned HC without burning. The unburned HC is oxidized by excess oxygen on the
[0064]
By the way, as described above, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, the NO in the exhaust gasx Is active oxygen release, NOx Absorbed by the absorbent 61. However NOx
[0065]
Further, in the embodiment according to the present invention, as shown in FIG.x When the absorbed amount ΣNOX exceeds a predetermined allowable maximum value MAXN, the release of active oxygen / NOx The air-fuel ratio A / F of the exhaust gas flowing into the absorbent 61 is temporarily made rich, thereby releasing active oxygen / NOx NO from absorbent 25x To be released.
In this case, there are various methods for temporarily switching the air-fuel ratio A / F from lean to rich. For example, a method of making the average air-fuel ratio in the
[0066]
On the other hand, the exhaust gas contains SO.x Contains active oxygen release and NOx NO in absorbent 61x Not only SOx Is also absorbed. This active oxygen release ・ NOx SO to absorbent 61x NO absorption mechanismx It is considered that the absorption mechanism is the same.
That is, NOx The case where platinum Pt and potassium K are supported on the carrier as in the case of explaining the absorption mechanism of oxygen will be described as an example. As described above, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, oxygen O2 Is O2 -Or O2-Is attached to the surface of platinum Pt in the form of SO2 O on the surface of platinum Pt2 -Or O2-Reacts with SOThree It becomes. The generated SOThree Part of the active oxygen is released while NO is further oxidized on platinum Ptx It is absorbed into the absorbent and binds to potassium K, while sulfate ion SOFour 2- Active oxygen release in the form of NOx Stable sulfate K that diffuses into the absorbent2 SOFour Is generated.
[0067]
However, this sulfate K2 SOFour Is stable and difficult to decompose, as described above, release of active oxygen and NOx NO from absorbent 61x Even if the exhaust gas air-fuel ratio is made rich to release2 SOFour Remains undisassembled. Therefore, release of active oxygen and NOx In the absorbent 61, as time passes, sulfate K2 SOFour Thus, the release of active oxygen and NO over timex NO that the absorbent 61 can absorbx The amount will decrease.
[0068]
However, this sulfate K2 SOFour Is active oxygen release NOx The temperature of the absorbent 61 is active oxygen release / NOx Decomposes when the temperature exceeds a certain temperature determined by the absorbent 61, for example, approximately 600 ° C.x When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 61 is made rich, the release of active oxygen and NOx Absorbent 61 to SOx Is released. However, release of active oxygen / NOx Absorbent 61 to SOx To release active oxygen and NOx NO from absorbent 61x Takes considerably longer time than the case of releasing.
[0069]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, the release of active oxygen and NOx Absorbent 61 to SOx Active oxygen release and NO when the air-fuel ratio is leanx Increase the temperature TF of the absorbent 61 to approximately 600 ° C., then release active oxygen / NOx Release the active oxygen by making the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 61 rich.x
[0070]
By the way, 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, NOx NO is reduced due to reduced oxidationx The absorption effect of NO is reduced, so that active oxygen release and NOx The amount of active oxygen released from the absorbent 61 is reduced. However, when the air-fuel ratio is made rich, oxygen on the platinum Pt surface is consumed, so that oxygen poisoning is eliminated, and therefore NO is when the air-fuel ratio is switched from rich to lean.x The oxidative effect on is increased. Therefore NOx The absorption efficiency of NO is increased, thus releasing active oxygen and NOx The amount of active oxygen released from the absorbent 61 is increased.
[0071]
Therefore, as shown in FIG. 7, when the air-fuel ratio A / F is occasionally changed from lean to rich when the air-fuel ratio A / F is maintained lean, the oxygen poisoning of platinum Pt is eliminated each time, so The amount of active oxygen released when the fuel ratio A / F is lean is increased, and thus the oxidation action of fine particles on the
[0072]
Cerium Ce takes in oxygen when the air-fuel ratio is lean (Ce2 OThree → 2CeO2), Active oxygen is released when the air-fuel ratio becomes rich (2CeO2 → Ce2 OThree) Has a function. Therefore, release of active oxygen and NOx When cerium Ce is used as the absorbent 61, when the air-fuel ratio is lean, if fine particles adhere to the
[0073]
Next, referring to FIG. 10, active oxygen release / NOx NO from absorbent 61x NO when set to releasex Release flag and active oxygen release / NOx Absorbent 61 to SOx Set when should releasex The processing routine for the release flag will be described. This routine is executed by interruption every predetermined time.
[0074]
Referring to FIG. 10, first, at
[0075]
In
[0076]
Next, the operation control according to the present invention will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 11, first, in
[0077]
Next, these intermediate regeneration controls, NOx Release control, main regeneration control, SOx The release control will be described sequentially.
First, the first embodiment of the intermediate reproduction control executed in
[0078]
That is, referring to FIG. 12, first, in
[0079]
Next, at
Wn + 1 = M + Wn -G
Here, M represents the amount of discharged fine particles per unit time as described above, and Wn Indicates the amount of deposited fine particles on the
[0080]
Next, at
[0081]
It should be noted that the temperature of the
[0082]
Next, a second embodiment of the intermediate reproduction process executed in
[0083]
Further, if the engine operating state continues for a certain period or longer, it is considered that the amount of deposited fine particles on the
[0084]
Therefore, in this second embodiment, the
That is, referring to FIG. 14 for executing the second embodiment, first, at
[0085]
Next, a third embodiment of the intermediate reproduction control executed in
[0086]
FIG. 15A shows a change in the temperature TF at the upstream end of the
[0087]
The delay time Δt is shorter as the exhaust gas temperature is higher, and is shorter as the exhaust gas amount is larger. That is, this delay time Δt is shown in FIG.B) (Δt)1 >Δt2 >ΔtThree >ΔtFour >ΔtFive). In the third embodiment, the delay time Δt is calculated from the relationship shown in FIG. 15B, and the regeneration control of the
[0088]
As shown in FIG. 1, in the embodiment according to the present invention, since the temperature at the upstream end of the
[0089]
In the third embodiment, the case where the regeneration is interrupted by stopping the engine during the regeneration control of the
[0090]
FIGS. 16 and 17 show an intermediate reproduction control routine for executing the third embodiment.
Referring to FIGS. 16 and 17, first, at
[0091]
Wn + 1 = M + Wn -G
Here, M represents the amount of discharged fine particles per unit time as described above, and Wn Indicates the amount of deposited fine particles on the
[0092]
Next, at
[0093]
Next, at
[0094]
In step 230, the delay time Δt is calculated from the relationship shown in FIG. Next, at
[0095]
In
[0096]
That is, when the regeneration control is not interrupted during the regeneration control, the target regeneration time t after the regeneration action is started in the entire
On the other hand, when it is determined in
[0097]
Now, even if the playback control is interrupted, the playback flag continues to be set. Therefore, when the state where the playback control should be interrupted is released, the routine jumps from
[0098]
Next, the NO executed in
Referring to FIG. 18, first, in
[0099]
Next, FIG. 19 showing the main reproduction control executed in
Referring to FIG. 19, first, at
[0100]
Next, at
[0101]
In the embodiment shown in FIG. 1, the pressure loss PD is detected from the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the
[0102]
Next, the SO executed in
As described above, active oxygen release / NOxAbsorbent 61 to SOxActive oxygen release and NO when the air-fuel ratio is leanxIncrease the temperature TF of the absorbent 61 to approximately 600 ° C., then release active oxygen / NOxThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 61 is made rich. Also in this case, the temperature TF of the
[0103]
Also thisSOxSO even in controlled releasexFor example, when the engine is stopped during emission control, SOxConsideration is given to the case where the release control is interrupted. That is, thisSOxSO in controlled releasexWhen release control is resumed after being suspended, the target SO at the time of suspensionxThe temperature of the entire particulate filter is SO for the remaining discharge time.xAdd the time required to raise to the discharge temperature and add this added time to the new target SOxThe release time is set.
[0104]
20 and 21 show thisSOxFig. 5 shows a routine for executing release control.
Referring to FIGS. 20 and 21, first, in
[0105]
Next, at
[0106]
In
[0107]
In
[0108]
That is, SOx SO during the release actionx If the emission control is not interrupted, the entire
On the other hand, in
[0109]
Now, SOxEven if the release control is interrupted, the running flag continues to be set. ThereforeSOxWhen the state where the release control should be interrupted is released, the routine jumps from
[0110]
Finally, a low-temperature combustion method particularly suitable when the
In the internal combustion engine shown in FIG. 1, as the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)) increases, the amount of smoke generated gradually increases and reaches a peak, and the EGR rate is further increased. This time, the amount of smoke generated decreases rapidly. This will be described with reference to FIG. 22 showing the relationship between the EGR rate and smoke when the degree of cooling of the EGR gas is changed. In FIG. 22, curve A shows the case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the case where the EGR gas is cooled by a small cooling device. Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0111]
As shown by curve A in FIG. 22, when the EGR gas is cooled strongly, the amount of smoke generated peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. If this is done, smoke will hardly occur. On the other hand, when the EGR gas is slightly cooled as shown by the curve B in FIG. 22, the amount of smoke generated peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is approximately 65% or more. If it is made, smoke will hardly occur. Further, as shown by the curve C in FIG. 22, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of smoke generated reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is approximately 70%. If it is more than a percentage, smoke is hardly generated.
[0112]
As described above, when the EGR gas ratio is 55% or more, smoke is not generated because the endothermic action of the EGR gas does not cause the temperature of the fuel and the surrounding gas to be so high, that is, low-temperature combustion is performed. This is because hydrocarbons do not grow to soot.
This low temperature combustion suppresses generation of smoke, that is, emission of fine particles regardless of the air-fuel ratio, while NO.x It has the characteristic that the generation amount of can be reduced. 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 excessive fuel does not grow to the soot, and thus almost no smoke is generated. At this time, NOx However, 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 produced if the combustion temperature is high, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature under low-temperature combustion. Smoke hardly occurs, NOx However, only a very small amount is generated.
[0113]
On the other hand, when this low-temperature combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas decreases, but the exhaust gas temperature increases. This will be described with reference to FIGS. 23 (A) and 23 (B).
The solid line in FIG. 23 (A) shows the relationship between the average gas temperature Tg in the
[0114]
When low-temperature combustion is performed, the amount of EGR gas is larger than when normal combustion is performed. Therefore, as shown in FIG. 23A, before compression top dead center, that is, during the compression process, a solid line The average gas temperature Tg at the time of low-temperature combustion indicated by is higher than the average gas temperature Tg at the time of normal combustion indicated by a broken line. At this time, as shown in FIG. 23B, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are substantially the same as the average gas temperature Tg.
[0115]
Next, combustion is started near the compression top dead center. In this case, when low-temperature combustion is being performed, as shown by the solid line in FIG. 23B, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are absorbed by the endothermic action of the EGR gas. It wo n’t be that expensive. On the other hand, when normal combustion is performed, since a large amount of oxygen exists around the fuel, the fuel and the surrounding gas temperature Tf become extremely high as shown by the broken line in FIG. . In this way, when normal combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas temperature Tf is considerably higher than when low temperature combustion is performed, but the temperature of the other gases which occupy most is low temperature combustion. Therefore, the average gas in the
[0116]
However, when the required torque TQ of the engine is increased, that is, when the fuel injection amount is increased, the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion is increased, so that it is difficult to perform low temperature combustion. That is, low-temperature combustion can be performed only when the engine is in a low load operation where the amount of heat generated by combustion is relatively small. In FIG. 24, a region I indicates an operation region in which the first combustion in which the amount of inert gas in the
[0117]
FIG. 25 shows the target air-fuel ratio A / F when low temperature combustion is performed in the operation region I, and FIG. 26 shows the opening of the
[0118]
The particulate oxidation removal capability of the
[0119]
【The invention's effect】
It is possible to prevent the particulate filter from being damaged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a view showing a required torque of the engine.
FIG. 3 is a diagram showing a particulate filter.
FIG. 4 is a diagram for explaining an oxidizing action of fine particles.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of the particulate filter.
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a partition wall of a particulate filter.
FIG. 7 is a time chart for explaining reproduction processing and the like.
FIG. 8 is a diagram for explaining injection control.
FIG. 9 NOx It is a figure which shows the map of absorption amount A.
FIG. 10: NOx Release flag and SOx It is a flowchart for processing a release flag.
FIG. 11 is a flowchart for controlling the operation of the engine.
FIG. 12 is a flowchart for executing a first embodiment of intermediate reproduction control;
FIG. 13 is a diagram showing the amount of discharged fine particles.
FIG. 14 is a flowchart for executing a second embodiment of intermediate reproduction control;
FIG. 15 is a diagram for explaining playback control.
FIG. 16 is a flowchart for executing a third embodiment of intermediate reproduction control;
FIG. 17 is a flowchart for executing a third embodiment of intermediate reproduction control;
FIG. 18 NOx It is a flowchart for performing discharge control.
FIG. 19 is a flowchart for executing the reproduction control.
FIG. 20: SOx It is a flowchart for performing discharge control.
FIG. 21: SOx It is a flowchart for performing discharge control.
FIG. 22 is a diagram showing the amount of smoke generated.
FIG. 23 is a diagram showing the gas temperature and the like in the combustion chamber.
FIG. 24 is a diagram showing operation regions I and II.
FIG. 25 is a diagram showing an air-fuel ratio A / F.
FIG. 26 is a diagram showing changes in the throttle valve opening and the like.
[Explanation of symbols]
5 ... Combustion chamber
6 ... Fuel injection valve
22 ... Particulate filter
Claims (11)
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