CN1386160A - 内燃机的废气净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机的废气净化装置:具有使捕集到的微粒氧化的微粒过滤器70和使微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转的逆转装置74,微粒过滤器具有用于捕集微粒的捕集壁。通过由逆转装置使微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转,从而为了捕集微粒而交替使用捕集壁的第1捕集面和第2捕集面。微粒过滤器具有用于废气的流出入的第1开口部和第2开口部,在***上游侧配置于排气管71内,微粒过滤器的第1开口部与第2开口部之间的周围部至少部分地与排气管内的废气流接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机的废气净化装置。
背景技术
在内燃机特别是柴油机的废气中包含有以碳黑为主成分的微粒(パテイキュレ-ト)。微粒为有害物质,所以,提出有在发动机排气系中设置用于在排放到大气以前对微粒进行捕集的过滤器的方案。这样的过滤器为了防止网目堵塞导致的排气阻力的增加,需要将捕集的微粒焚烧。
在进行这样的过滤器再生时,微粒如为约600℃则着火燃烧,但柴油机的废气温度通常比600℃低,所以一般需要对过滤器自身加热等的装置。
日本特公平7-106290号公报公开了这样的内容,即如将白金族金属和碱土金属氧化物载置于过滤器,则过滤器上的微粒在柴油机的通常的废气温度即约400℃连续焚烧。
然而,即使使用该过滤器,废气温度也不总是处于400℃左右,另外,根据运行状态的不同,也可能从柴油机排放出大量的微粒,在各时间不能焚烧的微粒可能慢慢地在过滤器上堆积。
在该过滤器中,当微粒堆积到某种程度时,由于微粒焚烧能力极度下降,所以,仍不能自身再生过滤器。这样,当仅是将这种过滤器配置到发动机排气系时,则可能在较早时期产生网目堵塞。
发明的公开
因此,本发明的目的在于提供一种内燃机的废气净化装置,该废气净化装置可由微粒过滤器良好地将捕集到的微粒氧化除去,防止微粒过滤器的网目堵塞。
按照本发明,提供一种内燃机的废气净化装置,该废气净化装置具有使捕集到的微粒氧化的微粒过滤器和使上述微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转的逆转装置,上述微粒过滤器具有用于捕集微粒的捕集壁,上述捕集壁具有第1捕集面和第2捕集面,由上述逆转装置使上述微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转,从而为了捕集微粒而交替使用上述捕集壁的上述第1捕集面和上述第2捕集面,上述微粒过滤器具有用于废气的流出入的第1开口部和第2开口部,在***上游侧配置于排气管内,上述微粒过滤器的上述第1开口部与上述第2开口部之间的周围部至少部分地与上述排气管内的废气流接触。
附图的简单说明
图1为具有本发明废气净化装置的柴油机的示意纵断面图。
图2为图1的燃烧室的放大纵断面图。
图3为图1的气缸盖的底面图。
图4为燃烧室的侧面断面图。
图5为示出进排气阀的提升量与燃料喷射的图。
图6为示出黑烟和NOX的发生量等的图。
图7(A)为示出空燃比在21附近、黑烟的发生量最多时的燃烧压力变化的图。
图7(B)为示出空燃比在18附近、黑烟的发生量基本为零时的燃烧压力变化的图。
图8为示出燃料分子的图。
图9为示出黑烟的发生量与EGR率的关系的图。
图10为示出喷射燃料量与混合气体量的关系的图。
图11为示出第1运行区域I和第2运行区域II的图。
图12为示出空燃比传感器的输出的图。
图13为示出节气门的开度等的图。
图14为示出第1运行区域I的空燃比的图。
图15(A)示出节气门的目标开度的图。
图15(B)示出EGR控制阀的目标开度的图。
图16为示出第2燃烧的空燃比的图。
图17(A)示出节气门的目标开度的图。
图17(B)示出EGR控制阀的目标开度的图。
图18为示出本发明内燃机的废气净化装置的断面平面图。
图19为图18的P-P断面图。
图20(A)为示出微粒过滤器的构造的正面图。
图20(B)为示出微粒过滤器的构造的侧面断面图。
图21(A)和图22(B)为用于说明微粒的氧化作用的图。
图22为示出可氧化除去微粒子量与微粒过滤器温度的关系的图。
图23(A)、图23(B)、及图23(C)为用于说明微粒的堆积作用的图。
图24为用于防止微粒在微粒过滤器的堆积的第1流程图。
图25(A)和图25(B)为微粒残留时的微粒过滤器的分隔壁的放大断面图。
图26为用于防止微粒在微粒过滤器的堆积的第2流程图。
图27为用于防止微粒在微粒过滤器的堆积的第3流程图。
图28为示出图18的内燃机的废气净化装置的变型例的断面平面图。
实施发明的最佳形式
图1示出具有本发明废气净化装置的4冲程柴油机的示意纵断面图,图2为图1的柴油机的燃烧室放大纵断面图,图3为图1的柴油机的气缸盖底面图。参照图1-图3可知,符号1为发动机本体,符号2为气缸体,符号3为气缸盖,符号4为活塞,符号5a为形成于活塞4顶面上的腔室,符号5为形成于腔室5a内的燃烧室,符号6为电控式燃料喷射阀,符号7为一对进气门,符号8为进气孔,符号9为一对排气门,符号10为排气孔。进气孔8通过对应的进气歧管11连接到辅助水箱12,辅助水箱12通过进气管13连接到空气滤清器14。在进气管13内配置由电动马达15驱动的节气门16。另一方面,排气孔10连接到排气歧管17。
如图1所示,在排气歧管17内配置空燃比传感器21。排气歧管17与辅助水箱12通过EGR通道22相互连接,在EGR通道22内配置电控式EGR控制阀23。另外,在EGR通道22周围配置用于冷却在EGR通道22内流动的EGR气体的冷却装置24。在图1所示实施例中,将发动机冷却水导入至冷却装置24内,由发动机冷却水冷却EGR气体。
另一方面,各燃料喷射阀6通过燃料供给管25连接到燃料箱即所谓的共轨(コモンレ-ル)26。从电控式的排出量可变的燃料泵27将燃料供给到该共轨26内,供给到共轨26内的燃料通过各燃料供给管25供给到燃料喷射阀6。在共轨26安装用于检测出共轨26内的燃料压力的燃料压力传感器28,根据燃料压力传感器28的输出信号使共轨26内的燃料压力成为目标燃料压力地控制燃料泵27的排出量。
符号30为电子控制装置,输入空燃比传感器21的输出信号和燃料压力传感器28的输出信号。另外,在加速踏板40连接用于产生与加速踏板40的踏下量L成比例的输出电压的负荷传感器41,在电子控制装置30还输入负荷传感器41的输出信号,另外,还输入当曲轴例如每进行30°回转时产生输出脉冲的曲柄角传感器42的输出信号。这样,电子控制装置30根据各种信号使燃料喷射阀6、电动马达15、EGR控制阀23、及燃料泵27作动。
如图2和图3所示,在本发明的实施例中,燃料喷射阀6由具有6个喷口的孔式喷嘴构成,从燃料喷射阀6的喷口朝相对水平稍朝下的方向以相等角度间隔喷射燃料F。如图3所示,在6个燃料喷雾F中,2个燃料喷雾F沿着各排气门9的阀体的下侧面飞溅。图2和图3示出在压缩行程末期进行燃料喷射时的状态。此时,燃料喷雾F朝腔室5a的内周面行进,然后着火燃烧。
图4示出在排气行程中当排气门9的提升量最大时从燃料喷射阀6喷射追加的燃料的场合。即,如图5所示那样,在压缩上止点附近进行主喷射Qm,接着,大体在排气行程中喷射追加的燃料Qa。在该场合,朝排气门9的阀体方向前进的燃料喷雾F朝着排气门9的伞部背面与排气孔10之间。即,换言之,如燃料喷射阀6的6个喷口中的2个喷口在排气门9开阀时进行追加的燃料Qa的喷射,则燃料喷雾F朝着排气门9的伞部背面与排气孔10间地形成。在图4所示实施例中,此时燃料喷雾F冲击到排气门9的伞部背面,与排气门9的伞部背面冲击的燃料喷雾F在排气门9的伞部背面上反射,流向排气孔10内。
通常不喷射追加的燃料Qa,仅进行主喷射Qm。图6示出在进行发动机低负荷运行时使节气门16的开度和EGR率变化从而改变空燃比A/F(图6的横轴)时的输出扭矩变化、及黑烟、HC、CO、NOX的排出量变化的实验例。由图6可知,在该实验例中,空燃比A/F越小,则EGR率越大,当在理论空燃比(≒14.6)以下时,EGR率在65%以上。
如图6所示那样,如通过增大EGR率减小空燃比A/F,则EGR率在40%附近、空燃比A/F在30左右时,黑烟的发生量开始增大。当进一步提高EGR率、减小空燃比A/F时,黑烟的发生量急剧增大,达到峰值。当进一步提高EGR率、减小空燃比A/F时,黑烟急剧下降,当EGR率在65%以上、空燃比A/F在15.0附近时,黑烟大体为零。即,基本上不产生碳黑。此时发动机的输出扭矩稍下降,另外,NOX的发生量变得非常低。另一方面,此时HC和CO的发生量开始增大。
图7(A)示出空燃比A/F在21附近、黑烟的发生量最多时的燃烧室5内的燃烧压力变化,图7(B)示出空燃比A/F在18附近、黑烟发生量大体为零时的燃烧室5内的燃烧压力的变化。比较图7(A)和图7(B)可知,黑烟发生量大体为零的图7(B)所示场合与黑烟发生量多的图7(A)所示场合相比燃烧压力低。
由图6和图7所示实验结果可得到以下结论。即,第1,当空燃比A/F在15.0以下、黑烟的发生量基本上为零时,如图6所示那样,NOX的发生量下降很多。NOX的发生量下降意味着燃烧室5内的燃烧温度下降,因此,当碳黑基本上不发生时,可以说燃烧室5内的燃烧温度变低。由图7也可得到相同结论。即,在基本上不产生碳黑的图7(B)所示状态下燃烧压力变低,因此,此时燃烧室5内的燃烧温度变低。
第2,当黑烟的发生量即碳黑的发生量基本上为零时,如图6所示那样,HC和CO的排出量增大。这意味着烃不成长为碳黑地排出。即,包含于燃料中的由图8示出的那样的直链状烃和芳香族烃在氧不足的状态下使温度上升时,产生热分解,形成碳黑的前驱体,接着生成主要由碳原子集合的固体构成的碳黑。在该场合,实际的碳黑的生成过程较复杂,碳黑的前驱体为怎样的形式虽然不明确,但不管怎样,图8所示那样的烃经过碳黑的前驱体成长为碳黑。因此,当如上述那样碳黑的发生量基本为零时,如图6所示那样,虽然HC和CO的排出量增大,但此时的HC为碳黑的前驱体或其之前的状态的烃。
归纳基于图6和图7所示实验结果的这些考察可得知,当燃烧室5内的燃烧温度低时,碳黑的发生量基本为零,此时,碳黑的前驱体或其之前的状态的烃从燃烧室5排出。对此进行更为详细的实验研究后可知,在燃烧室5内的燃料和其周围的气体温度在某一温度以下的场合,碳黑的成长过程在途中停止,即完全不产生碳黑,当燃烧室5内的燃料和其周围的温度在某一温度以下时,生成碳黑。
在碳黑的前驱体的状态下停止烃的生成过程时的燃料和其周围的温度即上述某一温度随燃料种类、空燃比、及压缩比等多种因素的不同而变化,所以,不能说为几度,但该某一温度与NOX的发生量具有较深的关系,因此,该某一温度可根据NOX的发生量在某种程度上加以规定。即,EGR率越大则燃烧时的燃料和其周围的气体温度下降越多,NOX的发生量下降。此时,如NOX的发生量在10p.p.m左右或在其以下则基本上不产生碳黑。因此,上述某一温度大体与NOX发生量在10p.p.m前后或其以下时的温度一致。
一旦生成碳黑,该碳黑不能由仅是使用具有氧化功能的催化剂的后处理加以净化。而碳黑的前驱体或其之前的状态的烃可由使用了具有氧化功能的催化剂的后处理容易地净化。这样,降低NOX的发生量,同时,以碳黑的前驱体或其之前的状态从燃烧室5排出烃对废气的净化极为有效。
为了在生成碳黑之前的状态下停止烃的成长,需要将燃烧室5内的燃烧时的燃料和其周围的气体温度抑制在比碳黑生成的温度低的温度。可以得知,在该场合,对于燃料及其周围的气体温度的抑制,燃料燃烧时对燃料周围的气体的吸热作用影响极大。
即,当在燃料周围仅存在空气时,蒸发的燃料立即与空气中的氧反应而燃烧。在该场合,离开燃料较远的空气的温度并不上升太多,仅燃料周围的温度局部地变得极高。即,此时离开燃料较远的空气基本上不对燃料的燃烧热产生吸热作用。在该场合,由于燃烧温度局部极高,所以,接收该燃烧热的未燃烃生成碳黑。
另一方面,当在大量的惰性气体和少量的空气的混合气体中存在燃料的场合,状况有一些不同。在该场合,蒸发燃料扩散到周围,与混于惰性气体中的氧产生反应而燃烧。在该场合,燃烧热被吸收到周围的惰性气体中,所以燃烧温度不上升太多。即,可将燃烧温度抑制得较低。即,抑制燃烧温度时,惰性气体的存在起到重要的作用,由惰性气体的吸热作用可将燃烧温度抑制得较低。
在该场合,为了将燃料及其周围的气体温度抑制到比碳黑生成温度低的温度,需要可吸收足够的热量的惰性气体量。因此,如燃料量增大,则需要的惰性气体量随之增大。在该场合,惰性气体的比热越大,则吸热作用越强,因此,最好惰性气体为比热大的气体。对于这一点,由于CO2和EGR气体的比热较大,所以,可以说使用EGR气体作为惰性气体较好。
图9示出使用EGR气体作为惰性气体、改变EGR气体的冷却程度时的EGR率与黑烟的关系。即,在图9中,曲线A示出强力地冷却EGR气体将EGR气体温度维持在大体90℃的场合,曲线B示出由小型冷却装置冷却EGR气体的场合,曲线C示出不对EGR气体进行强制冷却的场合。
如图9的曲线A所示那样,在对EGR气体进行强力冷却的场合,在EGR率比50%稍低处碳黑的发生量出现峰值,在该场合,EGR率如在55%以上,则碳黑基本上不发生。另一方面,如图9的曲线B所示那样,在对EGR气体稍进行冷却的场合,在EGR率比50%稍高时碳黑的发生量呈现峰值,在该场合,如使EGR率在大体65%以上,则基本上不产生碳黑。
另外,如图9的曲线C所示那样,在不对EGR气体进行强制冷却的场合,在EGR率处于55%附近时碳黑的发生量呈现峰值,在该场合,如使EGR率大体在70%以上,则基本上不产生碳黑。图9示出发动机负荷较高时的黑烟的发生量,当发动机负荷变小时,碳黑的发生量为峰值的EGR率稍有下降,碳黑基本上不产生的EGR率的下限也稍下降。这样,碳黑基本上不产生的EGR率的下限相应于EGR气体的冷却程度和发动机负荷变化。
图10示出将EGR气体用作惰性气体的场合下为了使燃烧时的燃料及其周围的气体温度为比碳黑生成温度低的温度所需EGR气体与空气的混合气体量、该混合气体量中的空气的比例、及该混合气体中的EGR气体的比例。在图10中,纵轴示出吸入到燃烧室5内的全吸入气体量,点划线Y示出不进行增压时可吸入到燃烧室5内的全吸入气体量。另外,横轴示出要求负荷,Z1示出负荷运行区域。
参照图10可看出,空气的比例即混合气体中的空气量示出使喷射的燃料完全燃烧所需的空气量。即,在图10所示场合,空气量与喷射燃料量的比为理论空燃比。另一方面,在图10中,EGR气体的比例即混合气体中的EGR气体量示出当喷射燃料燃烧时使燃料和其周围的气体温度比碳黑形成温度低的温度所需最低限度的EGR气体量。该EGR气体量用EGR率表示时大体在55%以上,在图10所示实施例中,在70%以上。即,在图10中,吸入到燃烧室5内的全吸入气体量为实线X,如该全吸入气体量X中的空气量与EGR气体量的比例为图10所示那样的比例,则燃料和其周围的气体温度成为比碳黑生成温度低的温度,从而使碳黑完全不产生。另外,此时的NOX发生量在10p.p.m左右,或在其以下,因此,NOX的发生量极少。
如燃料喷射量增大,则燃料燃烧时的发热量增大,所以,为了将燃料及其周围的气体温度维持在比碳黑生成温度低的温度,必须增大由EGR气体吸收的热量。因此,如图10所示那样,EGR气体量必须随着喷射燃料量增大而增大。即EGR气体量需要随着需求负荷变大而增大。
另一方面,在图10的负荷区域Z2中,阻止碳黑的发生所需全吸入气体量X超过可吸入的全吸入气体量Y。因此,在该场合,为了将阻止碳黑的产生所需全吸入气体量X供给到燃烧室5内,需要对EGR气体和吸入空气双方或EGR气体进行增压或加压。当不对EGR气体等进行增压或加压时,在负荷区域Z2全吸入气体量X与可吸入的全吸入气体量Y一致。因此,在该场合,为了阻止碳黑的产生,使空气量稍减少,增大EGR气体量,同时,在浓空燃比的状态下使燃料燃烧。
如上述那样,图10示出在理论空燃比的状态下使燃料燃烧的场合,但即使在图10所示低负荷运行区域Z1中使空气量比图10所示空气量少,即空燃比变浓,也可阻止碳黑的发生,同时使NOX的发生量在10p.p.m左右或其以下,另外,即使在图10所示低负荷运行区域Z1中使空气量比图10所示空气量多,即空燃比的平均值稀到17-18,也可阻止碳黑的发生,而且可使NOX的发生量在10p.p.m左右或其以下。
即,空燃比浓时,燃料过剩,但由于燃烧温度被抑制到较低的温度,所以,过剩的燃料不成长为碳黑,从而不生成碳黑。另外,此时NOX也仅产生极少量。另一方面,当平均空燃比稀时,或空燃比为理论空燃比时,如燃烧温度不高,则生成少量的碳黑,但在本发明中,由于将燃烧温度抑制到较低的温度,所以,完全不会生成碳黑。另外,NOX也仅生成极少量。
这样,在发动机低负荷运行区域Z1中,不论空燃比如何,即不论空燃比浓或为理论空燃比,或平均空燃比较稀,都不发生碳黑,NOX的发生量极少。因此,当考虑到燃料消费率的提高时,最好使此时的平均空燃比较稀。
可是,将燃烧室内的燃烧时的燃料和其周围的气体温度抑制在使烃的成长停止于途中的温度以下限于燃烧产生的发热量较少的发动机负荷较低的场合。因此,在本发明的实施例中,当发动机负荷较低时,将燃烧时的燃料及其周围的气体温度抑制在使烃的成长停止于途中的温度以下,进行第1燃烧即低温燃烧,当发动机负荷较高时,进行第2燃烧即过去一般进行的燃烧。在这里,对于第1燃烧即低温燃烧,如由这之前的说明可得知的那样,指燃烧室内的惰性气体量比碳黑发生量最大时的最差惰性气体量多从而基本上不产生碳黑的燃烧,第2燃烧即过去一般进行的燃烧指燃烧室内的惰性气体量比碳黑的发生量最大时的最差惰性气体量少的燃烧。
图11示出进行第1燃烧即低温燃烧的第1运行区域I和进行第2燃烧即按过去的燃烧方法的燃烧的第2燃烧区域II。在图11中,纵轴L示出加速踏板40的踏下量即要求负荷,横轴N示出发动机转速。另外,在图11中,X(N)示出第1运行区域I与第2运行区域II的第1边界,Y(N)示出第1运行区域I与第2运行区域II的第2边界。从第1运行区域I到第2运行区域II的运行区域的变化判断根据第1边界X(N)进行,从第2运行区域II到第1运行区域I的运行区域的变化判断根据第2边界Y(N)进行。
即,当发动机的运行状态处于第1运行区域I进行低温燃烧时,如要求负荷L超过作为发动机转速N的函数的第1边界X(N)时,判断运行区域转移到第2运行区域II,进行按照过去的燃烧方法的燃烧。接着,当要求负荷L比作为发动机转速N的函数的第2边界Y(N)低时,判断运行区域转移到第1运行区域I,再次进行低温燃烧。
图12示出空燃比传感器21的输出。如图12所示那样,空燃比传感器21的输出电流I相应于空燃比A/F变化。因此,可从空燃比传感器21的输出电流I得知空燃比。下面,参照图13大概地说明第1运行区域I和第2运行区域II的运行控制。
图13示出与要求负荷L对应的节气门16的开度、EGR控制阀23的开度、EGR率、空燃比、喷射时刻和喷射量。如图13所示那样,在要求负荷L低的第1运行区域I中,节气门16的开度随着要求负荷L变高而从全闭附近缓慢增大到半开程度,EGR控制阀23的开度随着要求负荷L变高而从全闭附近缓慢增大到全开。另外,在图13所示例中,在第1运行区域I,EGR率大体为70%,空燃比成为很小的稀空燃比。
换言之,在第1运行区域I中,EGR率大体为70%,使空燃比为很小的稀空燃比地控制节气门16的开度和EGR控制阀23的开度。此时的空燃比根据空燃比传感器21的输出信号修正EGR控制阀23的开度,从而控制为目标稀空燃比。另外,在第1运行区域I,在压缩上止点TDC前进行燃料喷射。在该场合,喷射开始时刻θS随着要求负荷L变大而延迟,喷射结束时刻θE也随着喷射开始时刻θS延迟而延迟。
在怠速运行时,节气门16闭阀到接近全闭,此时EGR控制阀23也关闭到全闭附近。当使节气门16关闭到接近全闭时,由于开始压缩的燃烧室5内的压力变低,所以,压缩压力变小。当压缩压力变小时,活塞4的压缩工作量变小,所以发动机本体1的振动变小。即,怠速运行时为了抑制发动机本体1的振动使节气门16闭阀到全闭附近。
另一方面,当发动机运行区域从第1运行区域I变化到第2运行区域II时,节气门16的开度从半开状态朝全开方向以台阶状增大。此时在图13所示例中,EGR率以台阶状从大体70%减少到40%以下,空燃比以台阶状增大。即,由于EGR率跳过发生大量的黑烟的EGR率范围(图9),所以,当发动机的运行区域从第1运行区域I变化到第2运行区域II时,不会产生大量的黑烟。
在第2运行区域II,进行过去进行的燃烧。在该燃烧方法中,虽然产生一些碳黑和NOX,但与低温燃烧相比,热效率高,因此,当发动机的的运行区域从第1运行区域I变化到第2运行区域II时,如图13所示那样使喷射量以台阶状减少。
在第2运行区域II,节气门16除了一部分外保持为全开状态,EGR控制阀23的开度随着要求负荷L变大而逐渐变小。在该运行区域II中,EGR率随着要求负荷L变高而降低,空燃比随着要求负荷L增大而减小。即使要求负荷L变高空燃比也为稀空燃比。另外,在第2运行区域II,喷射开始时刻θS在压缩上止点TDC附近。
图14示出第1运行区域I的空燃比A/F。在图14中,由A/F=15.5、A/F=16、A/F=17、A/F=18示出的各曲线分别示出空燃比为15.5、16、17、18时,各曲线间的空燃比按比例分配确定。如图14所示那样,在第1运行区域I中,空燃比较稀,另外,在第1运行区域I中,要求负荷L越低则空燃比A/F越稀。
即要求负荷L越低则燃烧产生的发热量越少。因此,即使随要求负荷L变低使EGR率降低,也可进行低温燃烧。当EGR率下降时,空燃比变大,因此,如图14所示那样,随着要求负荷L变低,空燃比A/F增大。空燃比A/F越大,燃料消费率越高,因此,为了尽可能地使空燃比稀,在本实施例中随着要求负荷L降低使空燃比A/F增大。
使空燃比为图14所示目标空燃比所需节气门16的目标开度ST如图15(A)所示那样作为要求负荷L和发动机转速N的函数以图的形式预先存储于ROM32内,使空燃比为图14所示目标空燃比所需EGR控制阀23的目标开度SE如图15(B)所示那样,作为要求负荷L和发动机转速N的函数以图的形式预先存储于ROM32内。
图16示出进行第2燃烧即按照现有的燃烧方法的普通燃烧时的目标空燃比。在图16中,由A/F=24、A/F=35、A/F=45、A/F=60示出的各曲线分别示出目标空燃比24、35、45、60。为了使空燃比为该目标空燃比所需要的节气门16的目标开度ST,如图17(A)所示那样作为要求负荷L和发动机转速N的函数以图的形式预先存储于ROM32内,使空燃比为该目标空燃比所需要的EGR控制阀23的目标开度SE如图17(B)所示那样,作为要求负荷L和发动机转速N的函数以图的形式预先存储于ROM32内。
这样,在本实施例的柴油机中,根据加速踏板40的踏下量L和发动机转速N,切换第1燃烧即低温燃烧和第2燃烧即普通燃烧,在各燃烧根据加速踏板40的踏下量L和发动机转速N按图15或图17所示图实施节气门16和EGR阀的开度控制。
图18为示出废气净化装置的断面平面图,图19为图18的P-P断面图。本废气净化装置连接到紧接排气歧管17下游侧的部位,位于发动机排气系中的处于大气开口端的***上游侧较远部位。本发明排气净化装置具有排气管71,该排气管71具有分别连接到排气歧管17和下游侧排气通道的第1小直径部分71a和第2小直径部分71b及位于第1小直径部分71a与第2小直径部分71b之间的大直径部分71c。大直径部分71c的两端具有切头圆锥状,连接到第1小直径部分71a和第2小直径部分71b。
大直径部分71c内由朝长度方向延伸的相互平行的2个壁部72a、72b在长度方向上分成3部分,形成位于两侧的第1流路73a和第2流路73b及位于中央的第3流路73c。在这里,从第1小直径部分71a流入的废气全部流入到第3流路73c。在大直径部分71c内贯通双方的壁部71a、72b配置具有长圆正面形状的微粒过滤器70并使微粒过滤器的中心轴线相对大直径部分71c的中心轴线直交。
微粒过滤器70具有用于废气的流出入的第1开口部70a和第2开口部70b,该第1开口部70a与第1流路73a连通,第2开口部70b与第2流路73b连通。上述微粒过滤器的中心轴线意味着通过该第1开口部70a和第2开口部70b的中心轴线。微粒过滤器70的第1开口部70a和第2开口部70b如在后面详细说明的那样分别由多个开口构成。另外,由微粒过滤器70的第1开口部70a与第2开口部70b之间的周围部沿上下部分地分割第3流路73c,流过第3流路的废气接触着微粒过滤器70的周围部70c流动。
另外,在大直径部分71c的下游侧端部配置可回转的阀体74。在由实线示出的阀体74的第1位置,将第3流路73c连通到第1流路73a,同时将第2流路73b连通到第2小直径部分71b。这样,废气如实线箭头所示那样,从第3流路73c流经第1流路73a,再从微粒过滤器70的第1开口部70a通过到第2开口部70b,经过第2流路73b流出到第2小直径部分71b。另外,在由1点划线示出的阀体74的第2位置,使第3流路73c连通到第2流路73b,同时,将第1流路73a连通到第2小直径部分71b。这样,废气如1点划线所示那样,从第3流路73c流经第2流路73b,再从微粒过滤器70的第2开口部70b通过到第1开口部70a,经由第1流路73a流出到第2小直径部分71b。
这样,通过将阀体74从第1位置和第2位置中的一方切换到另一方,从而可使微粒过滤器70的排气上游侧和排气下游侧逆转。另外,也可通过使阀体74处于第1位置与第2位置间的开放位置,使废气从第3流路73c不通过微粒过滤器70地流出到第2小直径部分71b,旁通微粒过滤器70。
这样,本废气净化装置可由非常简单的构成使微粒过滤器的排气上游侧与排气下游侧逆转。另外,微粒过滤器为了使废气的流入容易需要大的开口面积,但在本废气净化装置中,由于微粒过滤器的开口部沿排气管的长度方向配置,所以,可不使车辆搭载性恶化地使用具有大的开口面积的微粒过滤器。
图20示出微粒过滤器70的构造。在图20中,(A)为微粒过滤器70的正面图,即图19的Q向视图,(B)为侧面断面图。如这些图所示,本微粒过滤器70如上述那样具有长圆正面形状,例如为由堇青石(コ一ジライト)那样的多孔质材料形成的呈蜂窝构造的壁流(ウオ一ルフロ一)型,具有由多个沿轴线方向延伸的分隔壁54细分的多个轴线方向空间。在邻接的2个轴线空间,由塞53使一方在排气下游侧闭塞,使另一方在排气上游侧闭塞。这样,邻接的2个轴线方向空间的一方成为废气的流入通道50,另一方面成为流出通道51,废气如在图20(B)中由箭头示出的那样,必然通过分隔壁54。废气中的微粒与分隔壁54的细孔大小相比非常地小,但冲击在分隔壁54的排气上游侧表面和分隔壁54内的细孔表面上而被捕集。这样,各分隔壁54作为捕集微粒的捕集壁起作用。在本微粒过滤器70中,为了将捕集到的微粒氧化除去,在分隔壁54的两侧表面上和分隔壁54内的细孔表面上使用氧化铝等载置以下说明的活性氧放出剂和贵金属催化剂。
活性氧放出剂用于放出活性氧促进微粒的氧化,最好当在周围存在过剩的氧时取入氧对氧进行保持,而且在周围的氧浓度下降时以活性氧的形式将保持的氧放出。
作为贵金属催化剂,使用白金Pt,作为活性氧放出剂,使用从钾K、钠Na、锂Li、铯Cs、铷Rb那样的碱金属、钡Ba、钙Ca、锶Sr那样的碱土类金属、镧La、钇Y那样的稀土类、及过渡性金属中选择的至少1种。
在该场合,作为活性氧放出剂,最好使用离子化倾向比钙Ca更高的碱金属或碱土类金属,即钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba、锶Sr。
下面,以白金Pt和钾K的场合为例说明如何由载置这样的活性氧放出剂的微粒过滤器将捕集到的微粒氧化除去。即使利用其它贵金属、碱金属、碱土类金属、稀土类、过渡性金属也可起到同样的微粒除去作用。
在柴油机中通常在空气过剩的状态下进行燃烧,因此,废气包含大量的过剩空气。即,如将供给到进气通道和燃烧室内的空气与燃料的比称为废气的空燃比,则该空燃比较稀。另外,由于在燃烧室内产生NO,所以,在废气中包含NO。另外,在燃料中包含硫S,该硫S在燃烧室内与氧反应成为SO2。因此,在废气中包含SO2。因此,包含过剩氧、NO、及SO2的废气流入到微粒过滤器70的排气上游侧。
图21(A)及(B)示意地表示微粒过滤器70的废气接触面的放大图。在图21(A)和(B)中,符号60示出白金Pt的粒子,符号61表示包含钾K的活性氧放出剂。
如上述那样,由于在废气中含有大量的过剩氧,所以,如废气接触微粒过滤器的废气接触面内,则如图21(A)所示那样,这些氧O2以O2 -或O2-的附着于白金Pt的表面。另一方面,废气中的NO在白金Pt的表面上与O2 -或O2-反应,成为NO2( )。接着,生成的NO2的一部分在白金Pt上氧化,并吸收到活性氧放出剂61内,与钾K结合,同时,如图21(A)所示那样以硝酸离子NO3 -的形式扩散到活性氧放出剂61内,生成硝酸钾KNO3。这样,在本实施例中,包含于废气中的NOX吸收到微粒过滤器70,可大幅度减少向大气中的放出量。
另一方面,如上述那样,在废气中还包含SO2,该SO2也按与NO相同的机理吸收到活性氧放出剂61内。即如上述那样,氧O2以O2 -或O2-的形式附着于白金Pt的表面,废气中的SO2在白金Pt的表面与O2 -或O2-反应,成为SO3。接着,生成的SO3的一部分在白金Pt上进一步被氧化,并被吸收到活性氧放出剂61内,与钾K结合,同时,以硫酸离子SO4 2-的形式扩散到活性氧放出剂61内,生成硫酸钾K2SO4。这样,在活性氧放出剂61内生成硝酸钾KNO3和硫酸钾K2SO4。
废气中的微粒如在图21(B)中由符号62示出的那样,附着在载置于微粒过滤器的活性氧放出剂61的表面。此时,在微粒62与活性氧放出剂61的接触面,氧浓度下降。当氧浓度下降时,在与氧浓度高的活性氧放出剂61内之间产生浓度差,这样,活性氧放出剂61内的氧存在朝微粒62与活性氧放出剂61的接触面移动的倾向。结果,形成于活性氧放出剂61内的硝酸钾KNO3分解成钾K、氧O、及NO,氧O朝微粒62与活性氧放出剂61的接触面移动,NO从活性氧放出剂61放出到外部。放出到外部的NO在下游侧的白金Pt上被氧化,再次吸收到活性氧放出剂61内。
另一方面,此时形成于活性氧放出剂61内的硫酸钾K2SO4也分解成钾K和氧O、及SO2,氧O朝微粒62与活性氧放出剂61的接触面移动,SO2从活性氧放出剂61放出到外部。放出到外部的SO2在下游侧的白金Pt上被氧化,再次被吸收到活性氧放出剂61内。但硫酸钾K2SO4由于较稳定,所以,与硝酸钾KNO3相比难以放出活性氧。
另一方面,向微粒62与活性氧放出剂61的接触面移动的氧O为从硝酸钾KNO3和硫酸钾K2SO4那样的化合物分解成的氧。从化合物分解的氧O具有高的能量,活性极高。因此,向微粒62与活性氧放出剂61的接触面移动的氧成为活性氧O。这些活性氧O接触微粒62时,微粒62在数分到数十分的短时间内不产生光焰地氧化。另外,对微粒62进行氧化的活性氧O在将NO和SO2吸收到活性氧放出剂61时也放出。即,可认为NOX反复进行氧原子的结合和分离,并在活性氧放出剂61内以硝酸离子NO3 -的形式扩散,在此期间也产生活性氧。微粒62也由该活性氧氧化。另外,这样附着于微粒过滤器70上的微粒62虽由活性氧O氧化,但这些微粒62也由废气中的氧所氧化。
可是,白金Pt和活性氧放出剂61随微粒过滤器的温度提高而增大活性,所以,单位时间从活性氧放出剂61放出的活性氧O的量随微粒过滤器的温度提高而增大。当然,微粒自身的温度越高则越易氧化除去。因此,在微粒过滤器上单位时间中不产生光焰地将微粒氧化除去的可氧化除去微粒子量随微粒过滤器的温度提高而增大。
图22的实线示出单位时间内可不产生光焰地氧化除去的可氧化除去微粒子量G,在图22中,横轴示出微粒过滤器的温度TF。图22示出单位时间为1秒的场合即每1秒的可氧化除去的微粒子量G,但作为该单位时间,可采用1分、10分等任意的时间。例如,在采用10分作为单位时间的场合,每单位时间的可氧化除去微粒子量G表示每10分钟内的可氧化除去微粒子量G,在该场合,在微粒过滤器70上单位时间内可不产生光焰地氧化除去的可氧化除去微粒子量G如图23所示那样随微粒过滤器70温度的提高而增大。
如将单位时间内从燃烧室排出的微粒的量称为排出微粒子量M,则当该排出微粒子量M比可氧化除去微粒子量G少时,例如每秒的排出微粒子量M比每秒的可氧化除去微粒子量G少时,或每10分钟的排出微粒子量M比每10分钟的可氧化除去微粒子量G少时,即在图22的区域I中,从燃烧室排出的所有微粒在微粒过滤器70上不产生光焰地依次在短时间内被氧化除去。
而当排出微粒子量M比可氧化除去微粒子量G多时,即在图22的区域II中,为了将所有微粒依次氧化,活性氧量不足。图23(A)-(C)示出这样的场合的微粒的氧化的状态。
即,在活性氧量不足以氧化所有微粒的场合,如图23(A)所示那样,当微粒62附着于活性氧放出剂61上时,仅氧化微粒62的一部分,未充分氧化的微粒部分残留于微粒过滤器的排气上游侧面上。接着,当活性氧量不足的状态继续存在时,未氧化的微粒部分不停地残留在排气上游面上,结果如图23(B)所示那样,微粒过滤器的排气上游面由残留微粒部分63覆盖。
这样的残留微粒部分63逐渐变性为难以氧化的碳质,另外,如排气上游面由残留微粒部分63覆盖,则抑制了白金Pt对NO、SO2的氧化作用和活性氧放出剂61的活性氧放出作用。这样,虽然随时间经过可慢慢地将残留微粒部分63氧化,但如图23(C)所示那样,在残留微粒部分63上不停地堆积别的微粒64。即,当微粒以叠层状堆积时,这些微粒从白金Pt和活性氧放出剂隔开距离,所以即使为易于氧化的微粒,也不会由活性氧氧化。因此,在该微粒64上不停地堆积别的微粒。即,当排出微粒子量M比可氧化除去微粒子量G多的状态继续存在时,在微粒过滤器上以叠层状堆积微粒。
这样,在图22的区域I中,微粒在微粒过滤器上不产生光焰地在短时间内氧化,在图22的区域II中,微粒以叠层状堆积到微粒过滤器上。因此,如将排出微粒子量M与可氧化除去微粒子量G的关系设于区域I中,则可防止微粒在微粒过滤器上堆积。结果,微粒过滤器70上的废气流的压力损失可以产完全没有变化地大体维持为一定的最小压力损失值。这样,可将发动机的输出下降维持在最小限度。然而,这并不是总是能实现,不采取任何措施的话则可能会在微粒过滤器上堆积微粒。
在本实施例中,由上述的电子控制装置30根据图24的示流程图实施阀体74的切换控制,防止微粒在微粒过滤器的堆积。本流程图每隔规定时间反复进行。首先,在步骤101中,计算出车辆的行走距离累计值A。接着,在步骤102中,判断该行走距离累计值A是否在设定行走距离As以上。当否定该判断时,以原有状态结束,但在肯定时,前进到步骤103。在步骤103中,行走距离累计值A被设为0,在步骤104中,阀体74从第1位置和第2位置的一方切换到另一方。即,微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧相反。
图25为微粒过滤器的分隔壁54的放大断面图。也可能在车辆进行设定行走距离As的行走期间进行图22的区域II中的运行,如图25(A)中由格子示出的那样,废气主要冲击的分隔壁54的排气上游侧表面和细孔内的废气流相向面作为一方的捕集面对微粒进行冲击捕集,并由活性氧放出剂氧化将其除去,但该氧化除去可能不充分,而使微粒残留。在该时刻,微粒过滤器的排气阻力虽不为对车辆行走产生不良影响的程度,但如进一步堆积微粒,则产生发动机输出大幅度下降等问题。在第1流程图中,在该时刻,微粒过滤器的排气上游侧与排气下游侧逆转。这样,在残留于分隔壁54的一方捕集面的微粒上不会进一步堆积微粒,由从一方的捕集面放出的活性氧慢慢地将残留微粒氧化除去。另外,残留于分隔壁的细孔内的微粒由反方向的废气流如图25(B)所示那样容易被破坏而细化,移动到下游侧。
这样,细化的多个微粒分散到分隔壁的细孔内,即,微粒流动,从而直接与载置于分隔壁的细孔内表面的活性氧放出剂直接接触而被氧化除去的机会变多。这样,通过在分隔壁的细孔内也载置活性氧放出剂,可使残留微粒更易于氧化除去。另外,在该氧化除去的基础上,由废气的逆流,在成为上游侧的分隔壁54的另一方的捕集面即现在废气主要冲击的分隔壁54的排气上游侧表面和细孔内的废气流相向面(成为与一方的捕集面相反侧的关系),使废气中的新的微粒附着,由从活性氧放出剂放出的活性氧氧化除去。进行这些氧化除去时,从活性氧放出剂放出的活性氧的一部分与废气一起移动到下游侧,由废气的逆流也可氧化除去依然残留的微粒。
即,对于分隔壁的一方捕集面的残留微粒,不仅有从该捕集面放出的活性氧产生作用,而且废气的逆流使对分隔壁另一方捕集面的微粒进行氧化除去后余留的活性氧也随废气来到。这样,在阀体切换时,即使在分隔壁的一方捕集面以叠层状堆积某种程度的微粒,如使废气逆流,则活性氧来到堆积于残留微粒上的微粒,而且不进一步堆积微粒,所以,堆积微粒慢慢地被氧化除去,如在下一次的逆流之前具有某种程度的时间,则可在该期间充分地氧化除去。
在第1流程图中,阀体的切换每隔规定行走距离进行,但也可每隔设定时间进行。当然,也可不这样定期进行,而是不定期地切换阀体。总之,阀体的切换最好在微粒过滤器上的残留微粒变性成难以氧化的碳质以前进行,在从发动机起动到发动机停止期间至少进行一次。另外,在堆积大量的微粒以前氧化除去微粒,可防止一次使大量的堆积微粒着火燃烧,产生大量的燃烧热,由该燃烧热导致微粒过滤器溶损。另外,即使因某种原因在切换阀体时使大量的微粒堆积到微粒过滤器分隔壁的一方捕集面,如切换阀体,堆积微粒由反方向的废气流较容易地破坏和细化,所以,虽然使在分隔壁的细孔内未能氧化除去的一部分的细化微粒从微粒过滤器排出,但微粒过滤器的排气阻力不会进一步提高而对车辆行走产生不良影响。另外,在微粒过滤器分隔壁的另一方的捕集面,可能捕集新的微粒。
图26示出阀体75的切换控制的第2流程图。本流程图也每隔规定时间反复进行。首先,在步骤201中,由压力传感器等检测出微粒过滤器70的一方侧的排气压力P1,即第1流路73a(参照图18)内的排气压力。接着,在步骤202,由压力传感器等检测出微粒过滤器70的另一方侧的排气压力P2,即第2流路73b(参照图18)内的排气压力。
在步骤203中,判断由步骤201和202检测出的排气压力的差压的绝对值是否在设定压力差Ps以上。在这里,使用差压的绝对值是因为即使第1流路73a和第2流路73b中的哪一方处于排气上游侧都可把握差压的上升。当步骤203中的判断为否定时,依原有状态结束,当该判断为肯定时,由于在微粒过滤器残留某种程度的微粒,所以,在步骤204切换阀体74,使微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转。
这样,如上述那样,残留微粒从微粒过滤器氧化除去。这样,可利用微粒过滤器两侧的差压间接地检测在微粒过滤器残留某种程度的微粒的状态,确实地防止微粒进一步堆积而使发动机输出功率大幅度下降。当然,除了该差压以外,例如也可监视微粒过滤器上的规定分隔壁上的电阻值的变化,当微粒的堆积使电阻值在设定值以下时,判断在微粒过滤器上堆积了某种程度的微粒,另外,也可在微粒过滤器的规定分隔壁,利用微粒的堆积使光透过率下降或光的反射率下降这一情况,判断在微粒过滤器上堆积了某种程度的微粒这一状态。这样,通过直接判断微粒的残留,切换阀体,可更为确实地防止发动机输出的大幅度下降。另外,微粒过滤器两侧的差压严密地说随每一发动机运行状态下从气缸内排出的废气压力而变化,所以,在判断微粒的堆积时,最好对发动机运行状态进行规定。
这样,将微粒过滤器的排气上游侧与排气下游侧逆转,使得可对残留和堆积微粒进行氧化除去,所以非常有效,特别是即使不判断时刻,偶尔切换阀体,也可充分地防止大量的微粒堆积导致的发动机输出的大幅度下降。
可是,本实施例的阀体74的构造如上述那样,在从第1位置和第2位置的一方切换到另一方的过程中,废气的一部分旁通微粒过滤器70。这样,此时如在废气中含有微粒,则该微粒放出到大气中。为了防止这一点,也可如图27所示第3流程图那样,在实施燃油切断时,切换阀体74。当切断燃油时,由于不在气缸内进行燃烧,所以,在废气中不含微粒。进行燃油切断的实施判断时,可利用提供给燃料喷射阀的燃油切断信号,另外,也可检测车辆行走过程中的制动踏板的踏下,另外,也可检测车辆行走过程中的加速踏板的开放。
在本实施例的废气净化装置中,通过切换阀体74,使微粒过滤器70的排气上游侧和排气下游侧逆转,可较良好地防止微粒在微粒过滤器的堆积。另外,按照本废气净化装置的构造,微粒过滤器70的周围部70c在第3流路73c时常与废气接触,所以,由废气加热,可使微粒过滤器为高温。这样,如图22的图所示那样,能够将可氧化除去微粒子量维持得较高,进一步确实防止微粒在微粒过滤器的堆积。另外,如微粒过滤器为高温,则即使燃烧空燃比较稀或有一些变化,也可由载置于微粒过滤器的氧化催化剂使包含于废气中的HC和CO等还原成分良好地燃烧,另外,可使微粒过滤器的温度升高。
本实施例的微粒过滤器70具有大的开口部70a、70b,使开口部间的长度较短,可通过大量的废气。将这样的微粒过滤器70配置于排气管71内,并使开口部朝着排气管的长度方向,所以,可使本废气净化装置小型化。这样,本废气净化装置可在紧接排气歧管下游侧的部位邻接着发动机本体配置,可非常有效地将废气的热用于微粒过滤器的加热。
另外,在发动机减速等场合,当废气温度变低时,通过使阀体74为开放位置,从而可旁通微粒过滤器,防止废气通过微粒过滤器内,但该低温的废气接触微粒过滤器的周围部地流动。这样,当发动机减速时,虽使微粒过滤器的温度下降,但如发动机减速结束,则由高温的废气立即使微粒过滤器升温。这样,在发动机减速过程中,虽然微粒过滤器的氧化除去微粒子量下降,但此时在废气中基本上不含微粒,没有特别的问题。
另外,本实施例的微粒过滤器的周围全体由废气流包围周围全体,即,由气体层围住。这样,与微粒过滤器的周围部通过外壳等与大气邻接的一般的废气净化装置相比,在本废气净化装置中,可充分地抑制车辆行走风等产生的微粒过滤器的散热,由此也易于将微粒过滤器维持于高温。
在本实施例中,微粒过滤器70单一地具有长圆形断面,但这并不限定本发明。例如,也可如图28所示那样沿排气管的长度方向邻接配置所需个数的具有圆形断面等的多个微粒过滤器70′。在单一的微粒过滤器中,特别是由于高度中央部的分隔壁全体的宽度变长,所以,刚性多少有些弱,但通过这样使用多个微粒过滤器,可使各微粒过滤器70′小型化,提高刚性,提高微粒过滤器的耐用性。另外,阀体74配置于排气管71的下游侧,这对使作为可动部的阀体从高热的发动机本体离开一些有利。然而,当然也可将第2小直径部分71b作为排气上游侧,使阀体74位于排气管71的上游侧。另外,在本实施例中,使通过微粒过滤器70的第1开口部和第2开口部的中心轴线与排气管71的大直径部分71c的中心轴线相互直交,但这不限定本发明,例如没有必要使微粒过滤器70位于大直径部分71c的中心,另外,也可使微粒过滤器70的开口部相对大直径部分的中心轴线倾斜。即,微粒过滤器的中心轴线与放大部分的中心轴线如在平面视图下相互交叉,则可构成具有上述效果的废气净化装置。
另外,如使废气的空燃比较浓,即,使废气中的氧浓度下降,则从活性氧放出剂61向外部一气(单独)将活性氧O放出。通过一气放出的活性氧O使堆积微粒易于被氧化,从而可容易地氧化除去。
另一方面,当维持为稀空燃比时,白金Pt的表面由氧覆盖,产生所谓的白金Pt的氧中毒。当产生这样的氧中毒时,对NOX的氧化作用下降,所以,NOX的吸收效率下降,这样,从活性氧放出剂61的活性氧放出量下降。然而,当空燃比变浓时,由于消耗白金Pt表面上的氧,所以,消除了氧中毒,因此,当空燃比从浓切换到稀时,相对NOX的氧化作用增强,所以,NOX的吸收效率增大,这样,从活性氧放出剂61的活性氧放出量增大。
因此,当维持为稀空燃比时,如偶尔将空燃比从稀切换到浓,则此时白金Pt的氧中毒被消除,所以,空燃比较稀时的活性氧放出量增大,从而可促进微粒过滤器70上的微粒的氧化作用。
另外,该氧中毒的消除可以说是还原物质的燃烧,所以,伴随着发热,使微粒过滤器升温。这样,微粒过滤器的可氧化除去微粒子量提高,另外,残留和堆积微粒的氧化除去变得容易。如刚由阀体74切换微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧后使废气的空燃比变浓,则在不残留微粒的微粒过滤器分隔壁的另一方的捕集面,与一方的捕集面相比较,易于放出活性氧,所以,由更多量的放出的活性氧可进一步确实地将一方的捕集面的残留微粒氧化除去。当然,也可与阀体74的切换无关地偶尔使废气的空燃比变浓,这样,微粒不易残留和堆积在微粒过滤器。
作为使废气的空燃比变浓的方法,例如可实施上述的低温燃烧。当然,也可在从通常燃烧切换到低温燃烧时或在其之前切换微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧。另外,为了使废气的空燃比变浓,也可仅是使燃烧空燃比变浓。另外,也可在压缩行程的通常的主燃料喷射的基础上由发动机燃料喷射阀在排气行程或膨胀行程向气缸内喷射燃料((ポスト)后喷射),或在进气行程中向气缸内喷射燃料(前喷射(ビゴム喷射))。当然,后喷射或前喷射没有必要一定在与主燃料喷射之间设置间隔。另外,也可向发动机排气系供给燃料。如上述那样,为了在发动机低负荷侧实施低温燃烧,在发动机减速时刚切断燃油后实施低温燃烧。这样,在第3流程图的控制中,大多情况下在刚切换阀体74后实施低温燃烧,使废气的空燃比变浓。
可是,如存在SO3,则废气中的钙Ca生成硫酸钙CaSO4。该硫酸钙CaSO4难以氧化除去,在微粒过滤器上作为灰分残留。因此,为了防止硫酸钙的残留导致的微粒过滤器的网目堵塞,作为活性氧放出剂61,最好使用离子化倾向比钙Ca高的碱金属或碱土类金属,例如钾K,这样,扩散到活性氧放出剂61内的SO3与钾K结合,形成硫酸钾K2SO4,钙Ca不与SO3结合地通过微粒过滤器的分隔壁。因此,微粒过滤器不会由灰分堵塞网目。这样,活性氧放出剂61最好如上述那样使用离子化倾向比钙Ca高的碱金属或碱土类金属,即钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba、锶Sr。
另外,作为活性氧放出剂,即使在微粒过滤器上仅载置白金Pt那样的贵金属,也可从保持于白金Pt表面上的NO2或SO3放出活性氧。在该场合,示出可氧化除去微粒子量G的实线与图22中示出的实线相比称朝右侧移动。另外,作为活性氧放出剂,也可使用铈氧。铈氧在废气中的氧浓度高时吸收氧(Ce2O3→2CeO2),当废气中的氧浓度下降时放出活性氧(2CeO2→Ce2O3),所以,为了氧化除去微粒,需要定期或不定期地使废气中的空燃比变浓。也可使用铁或锡代替铈氧。
另外,作为活性氧放出剂也可使用废气中的NOX净化所用的NOX吸藏还原催化剂。在该场合,为了放出NOX或SOX,需要至少一时使废气的空燃比变浓,最好在微粒过滤器的上游侧和下游侧逆转后实施该浓化控制。本实施例的柴油机要切换低温燃烧与普通燃烧从而加以实施,但这不对本发明进行限定,当然,在仅实施普通燃烧的柴油机或排出微粒的汽油发动机中也可适用本发明。
在本实施例中,微粒过滤器自身载置活性氧放出剂,由该活性氧放出剂放出的活性氧将微粒氧化除去,但这不对本发明进行限定。例如活性氧和与活性氧同等功能的二氧化氮等微粒氧化物质可从微粒过滤器或由其载置的物质放出,也可从外部流入到微粒过滤器。即使在微粒氧化物质从外部流入的场合,为了捕集微粒,通过交替使用捕集壁的第1捕集面和第2捕集面,使得不会在成为排气下游侧的一方的捕集面堆积新的微粒,即使慢慢地由从另一方的捕集面流入的微粒氧化成分将该堆积微粒氧化除去,也可在某种程度的时间内将堆积微粒氧化除去。在此期间,在另一方的捕集面,与微粒的捕集一起进行由微粒氧化成分产生的氧化,可获得与上述同样的效果。另外,在该场合,微粒过滤器的升温可提高微粒自身的温度,使氧化除去变得容易,所以,如本实施例那样构成废气净化装置较有利。
这样按照本发明的内燃机的废气净化装置,具有使捕集到的微粒氧化的微粒过滤器和使微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转的逆转装置,微粒过滤器具有用于捕集微粒的捕集壁,捕集壁具有第1捕集面和第2捕集面,由逆转装置使微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转,从而为了捕集微粒而交替使用捕集壁的第1捕集面和第2捕集面,微粒过滤器具有用于废气的流出入的第1开口部和第2开口部,在***上游侧配置于排气管内,微粒过滤器的第1开口部与第2开口部之间的周围部至少部分地与排气管内的废气流接触。这样,根据运行状态的不同,微粒的氧化可能变得不充分,在微粒过滤器捕集壁的第1捕集面残留某种程度的微粒,但由逆转装置使微粒过滤器的排气上游侧与排气下游侧逆转,从而使得不在捕集壁的第1捕集面新堆积微粒,该残留微粒慢慢地被氧化除去。同时,由捕集壁的第2捕集面使微粒的捕集和氧化开始。这样,当在微粒的捕集中交替使用第1捕集面和第2捕集面时,与总是由单一的捕集面对微粒进行捕集的场合相比,可减少在各捕集面的微粒捕集量,有利于微粒的氧化除去。另外,微粒过滤器的周围部与废气流接触地受到加热,可将微粒过滤器的温度维持在高温,使微粒易于氧化。这样,可确实地防止微粒过滤器的网目堵塞。
Claims (8)
1.一种内燃机的废气净化装置,其特征在于:具有使捕集到的微粒氧化的微粒过滤器和使上述微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转的逆转装置,上述微粒过滤器具有用于捕集微粒的捕集壁,上述捕集壁具有第1捕集面和第2捕集面,由上述逆转装置使上述微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转,从而为了捕集微粒而交替使用上述捕集壁的上述第1捕集面和上述第2捕集面,上述微粒过滤器具有用于废气的流出入的第1开口部和第2开口部,在***上游侧配置于排气管内,上述微粒过滤器的上述第1开口部与上述第2开口部之间的周围部至少部分地与上述排气管内的废气流接触。
2.根据权利要求1所述的内燃机的废气净化装置,其特征在于:在上述捕集壁载置活性氧放出剂,从上述活性氧放出剂放出的活性氧使微粒氧化。
3.根据权利要求2所述的内燃机的废气净化装置,其特征在于:上述活性氧放出剂当在周围存在过剩氧时取入氧对氧进行保持,而且在周围的氧浓度下降时以活性氧的形式将保持的氧放出。
4.根据权利要求2所述的内燃机的废气净化装置,其特征在于:上述活性氧放出剂当在周围存在过剩氧时使NOX与氧结合而保持,而且,当周围的氧浓度下降时,将结合的NOX和氧分解成NOX和活性氧放出。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的内燃机的废气净化装置,其特征在于:通过上述微粒过滤器的上述第1开口部和上述第2开口部的中心轴线与上述排气管的中心轴线在平面视图中相互交叉。
6.根据权利要求5所述的内燃机的废气净化装置,其特征在于:上述微粒过滤器在上述排气管的长度方向上配置多个。
7.根据权利要求5或6所述的内燃机的废气净化装置,其特征在于:上述排气管具有沿长度方向分割的第1流路、第2流路、及第3流路,上述第1流路与上述微粒过滤器的上述第1开口部连通,上述第2流路与上述微粒过滤器的上述第2开口部连通,上述第3流路内的废气流与上述微粒过滤器的上述周围部至少部分接触。
8.根据权利要求7所述的内燃机的废气净化装置,其特征在于:上述逆转装置具有阀体,通过使上述阀体处于第1位置,可将上述第3流路和上述第1流路连通,同时,使第2流路连通到上述排气管的排气上游侧或排气下游侧的一方侧;通过使上述阀体处于第2位置,可使上述第3流路与上述第2流路连通,同时,使上述第1流路连通到上述排气管的上述一方侧;通过将上述阀体从上述第1位置和上述第2位置的一方切换到另一方,可使上述微粒过滤器的排气上游侧和排气下游侧逆转。
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