JP3558055B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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】
従来、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置した内燃機関の排気浄化装置が知られている。この種の内燃機関の排気浄化装置の例としては、例えば特公平７−１０６２９０号公報に記載されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが特公平７−１０６２９０号公報には、パティキュレートフィルタに担持されている触媒が、周囲に過剰酸素が存在する時に酸素を取り込んで酸素を保持する点について開示されていない。また特公平７−１０６２９０号公報には、パティキュレートフィルタに担持されている触媒が、周囲の酸素濃度が低下した時にその保持した酸素を活性酸素の形で放出する点についても開示されていない。従って特公平７−１０６２９０号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置の触媒では、周囲に過剰酸素が存在する時に酸素を取り込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下した時にその保持した酸素を活性酸素の形で放出することができない。それゆえ、特公平７−１０６２９０号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置では、活性酸素を放出する触媒を必要に応じて再生することもできない。
【０００４】
また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燃焼せず、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燃焼させるのは困難である。
【０００５】
一方、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子にＮＯ_２を反応させると比較的低温であっても微粒子を着火燃焼せしめることができる（ＮＯ_２＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ，ＮＯ_２＋ＣＯ→ＮＯ＋ＣＯ_２，２ＮＯ_２＋Ｃ→２ＮＯ＋ＣＯ_２）。しかしながら排気ガス中に含まれる窒素酸化物の大部分はＮＯであり、従ってＮＯ_２との反応により微粒子を着火燃焼せしめるためにはＮＯをＮＯ_２に変換しなければならない。この場合、パティキュレートフィルタ上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、この酸化触媒によりＮＯを酸化させるようにすればＮＯをＮＯ_２に変換することができ、斯くして比較的低温であっても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ができる。
【０００６】
一方、排気ガス温が一定温度、例えば３５０℃よりも低い時には排気ガス中のＮＯを吸収し、排気ガス温が３５０℃を越えると吸収したＮＯをＮＯ_２の形で放出するＮＯ_Ｘ吸収剤が公知である。このＮＯ_Ｘ吸収剤は例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とにより構成されている。このＮＯ_Ｘ吸収剤を用いると排気ガス温が３５０℃よりも高くなった時にＮＯ_Ｘ吸収剤からＮＯが放出され、ＮＯが白金Ｐｔにより酸化されてＮＯ_２となり、斯くしてパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を更に着火燃焼しやすくなる。
【０００７】
ところが酸化触媒によるＮＯからＮＯ_２への変換作用は排気ガス温に依存しており、この変換作用は一定の排気ガス温範囲内においてのみ行われる。従って排気ガスがこの排気ガス温範囲外になった時にはもはやＮＯからＮＯ_２への変換作用は行われず、斯くし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燃焼せしめることができなくなる。また、ＮＯ_Ｘ吸収剤を用いた場合にもＮＯ_Ｘ吸収剤からＮＯが放出されるのは３５０℃以上の限られた排気ガス温範囲内であり、しかもＮＯ_Ｘ吸収剤から放出されるＮＯの量には限度がある。
【０００８】
そこでパティキュレートフィルタ上流の排気通路内に酸化触媒を配置すると共にパティキュレートフィルタ上にＮＯ_Ｘ吸収剤を担持させ、酸化触媒によるＮＯからＮＯ_２への変換作用が行われる中負荷運転状態及びＮＯ_Ｘ吸収剤からＮＯが放出されてＮＯ_２となる中負荷運転状態になった時にはこれらＮＯ_２により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、これらＮＯ_２の発生が期待できない高負荷運転時には排気ガス温を６００℃以上まで上昇させることによ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燃焼させ、これらＮＯ_２の発生が期待できない低負荷運転時には電気ヒータにより排気ガス温を上昇させてＮＯ_２を発生させ、更に排気ガス温が低くなる極めて負荷が低い時には排気通路内に軽油及び２次空気を供給して軽油の燃焼熱により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させるようにしたディーゼル機関が公知である（特開平８−３３８２２９号公報参照）。
【０００９】
このように従来よりパティキュレートフィルタは排気ガス中の微粒子を捕集するためのものであると考えられており、従って従来ではパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子、即ちパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した微粒子をどのようにして着火燃焼せしめるかに全ての努力が払われていた。即ち、微粒子は一旦パティキュレートフィルタ上において積層状に堆積してしまうと着火燃焼しづらくなり、この場合、堆積した微粒子を着火燃焼せしめるには６００℃以上の高温が必要となる。従って従来ではどのような方法によって６００℃以上の高温を作るかが一つの焦点となっていた。
【００１０】
一方、前述したようにパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子にＮＯ_２を反応させると比較的低温であっても微粒子が着火燃焼せしめられ、従ってこの場合には６００°以上の高温を作らなくてもパティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子を着火燃焼せしめることができる。しかしながらＮＯ_２を発生させることのできる運転領域は限られているのであらゆる運転領域において比較的低温でもって微粒子を着火燃焼することができない。いずれにしても従来ではパティキュレートフィルタは微粒子を捕集するためのものであることを前提とし、パティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した微粒子をどのようにして着火燃焼せしめるかに焦点が絞られていた。
【００１１】
しかしながらこのような従来の既成概念を捨て、微粒子の挙動を詳細に研究した結果、一定の条件を満たすと微粒子はパティキュレートフィルタ上に捕集されず、微粒子がパティキュレートフィルタに付着するや否や短時間のうちに酸化せしめられることが判明したのである。別の言い方をすると微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する前に微粒子を酸化させることができればパティキュレートフィルタ上に微粒子が捕集されることなく、ほぼ１００％排気ガス中の微粒子を除去することができることが判明したのである。
【００１２】
また、微粒子の挙動を詳細に研究した結果、パティキュレートフィルタに、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を保持し、かつ周囲の過剰酸素が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持すると、放出される活性酸素によってパティキュレートを酸化除去する能力が格段に向上することが判明した。さらに研究を進めると、この酸素吸蔵・活性酸素放出剤は、排気ガス中に含まれる特定の成分によって、被毒を受けると、周囲の過剰酸素が低下しても活性酸素は放出されづらく、もってパティキュレートの酸化能力をさほど向上させることができないことが判明したのである。
【００１３】
上記問題点に鑑み、本発明は、微粒子を活性酸素により酸化させると共に、パティキュレートフィルタを必要に応じて再生することにより内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置した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上では捕集微粒子が酸化させられ、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードと、前記パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを具備し、第一の運転モードと第二の運転モードとを必要に応じて切り換えるようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、第一の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行され、第一の運転モードが選択されている時であって機関中高負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に低温燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時に副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角され、第二の運転モードが選択されている時であって機関高負荷運転時に通常燃焼が実行されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１５】
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードとパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとが必要に応じて切り換えられる。そのため、内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制することができる。詳細には、原則的に内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードが選択され、パティキュレートフィルタを再生することが必要になった時にパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択される。そのため、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。また、パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時に副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角される。そのため、低温燃焼を実行可能な機関低負荷運転時でなく、かつ、高温排気ガスを排出可能な機関高負荷運転時でない機関中負荷運転時であってもパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度を高くすることができ、それゆえ、パティキュレートフィルタを再生することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタが酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持し、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤から放出された活性酸素が前記パティキュレートフィルタ上で捕集微粒子を酸化することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤から放出された活性酸素が捕集微粒子を酸化させるために、従来の場合のように微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した後にその微粒子が輝炎を発して除去されるのと異なり、微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する前に、輝炎を発することなくその微粒子を酸化除去することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、前記酸素吸蔵・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り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請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートの付着等によって周囲の酸素濃度が低下すれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は自然に活性酸素を放出して捕集微粒子を酸化除去することができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ及び酸素をＮＯ_Ｘと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２１】
請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は排気ガス中のＮＯ_Ｘも吸蔵し、パティキュレートの付着等によって周囲の酸素濃度が低下すれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は自然に活性酸素を放出して捕集微粒子を酸化除去することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時、低温燃焼が実行されている場合には空燃比をリーン化し、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合には主燃料噴射時期を進角させ、通常燃焼が実行されている場合には燃料噴射時期を進角させるようにした請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２５】
請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されて低温燃焼が実行されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には空燃比がリーン化される。そのため、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されて副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には主燃料噴射時期が進角される。そのため、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されて通常燃焼が実行されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には燃料噴射時期が進角される。そのため、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。つまり、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【００２６】
請求項６に記載の発明によれば、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合に主燃料噴射時期を進角させる時には、副燃料噴射を中止するようにした請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２７】
請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置では、第二の運転モードが選択されている時であってパティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合に主燃料噴射時期を進角させる時には、副燃料噴射が中止される。そのため、そのような時に副燃料噴射を実行するのに伴ってＨＣが増大し、パティキュレートフィルタの床温上昇の低下度合いが小さくなってしまうのを回避することができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明によれば、第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には、第一の運転モードが選択されている時に実行される燃焼を割り込み実行するようにした請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２９】
請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードが選択されている時であっても、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードが選択されている時に実行される燃焼であって、詳細にはパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が比較的低くなる燃焼が割り込み実行される。そのため、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【００３０】
請求項８に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定するようにした請求項５から７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３１】
請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かが、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的容易に判定することができる。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを排気ガス温度に基づいて判定するようにした請求項５から７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３３】
請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かが排気ガス温度に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的正確に判定することができる。
【００３４】
請求項１０に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタに微粒子が所定量堆積したと推定された時に第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行うようにした請求項１から９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３５】
請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタに微粒子が所定量堆積したと推定された時に内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードからパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードへの切り換えが行われる。そのため、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【００３６】
請求項１１に記載の発明によれば、前記パティキュレートフィルタの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する触媒を配置した請求項１から１０のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００３７】
請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する触媒が配置される。そのため、排気ガスがその触媒を通過する際に酸化せしめられ、その酸化熱によりパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの温度を上昇させることができ、パティキュレートフィルタの温度を比較的高い温度に維持することができる。また、微粒子のバインダとして作用するＳＯＦがその触媒により酸化せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタにおいて微粒子が堆積しづらくなるようにすることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【００３９】
図１は本発明の内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関に適用した第一の実施形態を示している。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は対応する吸気マニホルド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に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。また吸気ダクト１３内には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ４４、吸気管負圧を検出するための負圧センサ４５、及び吸気温度を検出するための吸気温度センサ４６が配置される。
【００４０】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管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２２ａ及び酸化機能を有する吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒２２ｂを内蔵したケーシング２３に連結される。吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒２２ｂはパティキュレートフィルタ２２ａの排気ガス流れ上流側に配置されている。尚、本実施形態の変形例では、吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒２２ｂの代わりに、酸化機能を有する任意の酸化触媒を配置することが可能である。また、本実施形態の変形例では、パティキュレートフィルタ２２ａ及び吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒２２ｂを隣接して配置する代わりに、例えば吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒２２ｂをパティキュレートフィルタ２２ａから離間させて配置することも可能である。排気マニホルド１９内には空燃比センサ４７が配置され、また、ケーシング２３の上流側の排気管２０内にはケーシング２３内に流入する排気ガスの温度である入りガス温度を検出するための入りガス温度センサ３９ａが配置され、ケーシング２３の下流側の排気管２０内にはケーシング２３から流出する排気ガスの温度である出ガス温度を検出するための出ガス温度センサ３９ｂが配置される。
【００４１】
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に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置２６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。更に冷却装置２６に対しＥＧＲガス流れ上流側には冷却装置２６内に流入するＥＧＲガスを浄化するためのパイプ触媒２２ｃが配置される。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。
【００４２】
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及び出力ポート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、入りガス温度センサ３９ａ及び出ガス温度センサ３９ｂの出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。エアフローメータ４４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、負圧センサ４５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、吸気温度センサ４６の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。気筒内の燃焼圧を検出するための燃焼圧センサ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。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、及び燃料ポンプ２８に接続される。
【００４３】
図２にパティキュレートフィルタ２２ａの構造を示す。なお、図２において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２ａの正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２ａの側面断面図を示している。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２ａ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２（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及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及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。パティキュレートフィルタ２２ａ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２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００４４】
本発明による実施形態では各排気ガス流入通路５０及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、栓５３の外端面及び栓５２，５３の内端面上には全面に亘って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、及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酸素吸蔵・活性酸素放出剤が担持されている。この場合、本発明による実施形態では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、酸素吸蔵・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、及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。なお、この場合酸素吸蔵・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。
【００４５】
次にパティキュレートフィルタ２２ａ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及びカリウム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。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、吸気通路及び燃焼室５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ＳＯ_２となる。従って排気ガス中にはＳＯ_２が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯ及びＳＯ_２を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２ａの排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００４６】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表している。なお、図３（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を含んでいる酸素吸蔵・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２２ａの排気ガス流入通路５０内に流入すると図３（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。次いで生成されたＮＯ_２の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ酸素吸蔵・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３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ_３を生成する。
【００４７】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ_２も含まれており、このＳＯ_２もＮＯと同様なメカニズムによって酸素吸蔵・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Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ_２は白金Ｐｔの表面でＯ_２−又はＯ^２−と反応してＳＯ_３となる。次いで生成されたＳＯ_３の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ酸素吸蔵・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ＳＯ_４ ^２−の形で酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４を生成する。このようにして酸素吸蔵・活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ_３及び硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４が生成される。
【００４８】
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２２ａの排気ガス流入通路５０内を流れている時に、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かう時に図３（Ｂ）において６２で示されるように担体層の表面、例えば酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００４９】
このように微粒子６２が酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と酸素吸蔵・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酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と酸素吸蔵・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、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ_３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と酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが酸素吸蔵・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、再び酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００５０】
一方、この時酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１に形成されている硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４は、強固に結びついているため、カリウムＫと酸素ＯとＳＯ_２とに分解されづらい。それゆえ、周囲の温度が低い時には、酸素濃度が低下しても活性酸素を放出しづらい。
【００５１】
一方、微粒子６２と酸素吸蔵・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ＫＮＯ_３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と酸素吸蔵・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、微粒子６２を酸化する活性酸素Ｏは、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１へＮＯ及びＳＯ_２が吸収されている時にも放出される。すなわち、ＮＯ_Ｘは酸素原子の結合及び分離を繰り返しつつ酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内において硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の型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、パティキュレートフィルタ２２ａ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。
【００５２】
従来のようにパティキュレートフィルタ２２ａ上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられる時にはパティキュレートフィルタ２２ａ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２２ａの温度を高温に維持しなければならない。
【００５３】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、この時パティキュレートフィルタ２２ａ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従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子６２が酸化除去せしめられている。従って本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００５４】
ところで白金Ｐｔ及び酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２ａの温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１が放出する活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２ａ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２２ａ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２２ａの温度が高くなるほど増大する。
【００５５】
図５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５において横軸はパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦを示している。なお、図５は単位時間を１秒とした場合の、すなわち、１秒当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇを示しているがこの単位時間としては、１分、１０分等任意の時間を採用することができる。例えば、単位時間として１０分を用いた場合には単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇは１０分間当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇを表すことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ２２ａ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５に示されるように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。
【００５６】
さて、単位時間当りに燃焼室５から排出される微粒子の量を排出微粒子量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子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よりも少ない時、即ち図５の領域Ｉでは燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２ａ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。
【００５７】
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５の領域ＩＩでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図４（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合における微粒子の酸化の様子を示している。
【００５８】
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図４（Ａ）に示すように微粒子６２が酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図４（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われるようになる。
【００５９】
このような残留微粒子部分６３は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ_２の酸化作用及び酸素吸蔵・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ために残留微粒子部分６３は酸化されることなくそのまま残り、斯くして図４（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分６３の上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積すると、これら微粒子６４は、白金Ｐｔや酸素吸蔵・活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易い微粒子であっても活性酸素Ｏによって酸化されることはない。従ってこの微粒子６４上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２２ａ上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２２ａの温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００６０】
このように図５の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２ａ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５の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２ａ上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２２ａ上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくしておく必要がある。
【００６１】
図５からわかるように本発明の実施形態で用いられているパティキュレートフィルタ２２ａではパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、従って図１に示す圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Ｍ及びパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時少なくなるように維持することが可能である。排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時少ないと、パティキュレートフィルタ２２ａ上に微粒子が全く堆積せず、斯くして背圧が全く上昇しない。従って機関出力は全く低下しない。一方で、酸化除去可能微粒子量Ｇを排出微粒子量Ｍよりも常時多くするために、常時、燃料噴射量を増加させて排気ガス温度を高くしパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦを高くしておくと、内燃機関の燃費は低下してしまう。
【００６２】
一方、前述したように一旦微粒子がパティキュレートフィルタ２２ａ上において積層状に堆積するとたとえ排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなったとしても活性酸素Ｏにより微粒子を酸化させることは困難である。しかしながら酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめている時に、即ち微粒子が一定限度以下しか堆積していない時に排気微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Ｏによって輝炎を発することなく酸化除去される。従って、必要に応じて排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくし、かつ排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより多くなったとしても図４（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われないように、即ち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなった時に酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ２２ａ上に積層しないように、通常は内燃機関の燃費を向上させるべく排出微粒子量Ｍ及びパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦを維持することも可能である。
【００６３】
機関始動直後はパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦは低く、従ってこの時には排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。従って実際の運転を考えるとこのように制御する方が現実に合っていると考えられる。パティキュレートフィルタ２２ａ上に微粒子が積層状に堆積した場合には、排気ガスの一部又は全体の空燃比を一時的にリッチにし排気ガスを後燃えさせてパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦを上昇させることによりパティキュレートフィルタ２２ａの状態を図５の領域Ｉ内に位置せしめ、それによりパティキュレートフィルタ２２ａ上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させることができる。この場合、即ち排気ガス中の酸素濃度を低下させた場合には、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積した微粒子は酸化され易いものとなって容易に酸化除去される。
【００６４】
一方、排気ガスの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ＮＯ_Ｘに対する酸化作用が低下するためにＮＯ_Ｘの吸収効率が低下し、斯くして酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら、空燃比がリッチにされると白金Ｐｔ表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比がリッチからリーンに切り換えられるとＮＯ_Ｘに対する酸化作用が強まるためにＮＯ_Ｘの吸収効率が高くなり、斯くして酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。
【００６５】
従って、空燃比がリーンに維持されている時に空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切り換えるとその都度白金Ｐｔの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンである時の活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ２２ａ上における微粒子の酸化作用を促進することができる。
【００６６】
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。
【００６７】
排気ガスの空燃比をリッチにするに際し、パティキュレートフィルタ２２ａ上において微粒子が積層状に堆積したと判定された時に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよいし、そのような判定を行うことなく周期的又は不定期に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよい。排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば機関負荷が比較的低い時にＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））が６５パーセント以上となるようにスロットル弁１７の開度及びＥＧＲ制御弁２５の開度を制御し、この時燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるように噴射量を制御する方法を用いることができる。また、排気ガスの空燃比をリッチにするのに、圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、排気行程又は膨張行程において気筒内へ燃料を噴射しても良く、又は、吸気行程において気筒内へ燃料を噴射しても良い。これらの追加の燃料噴射は、主燃料噴射との間にインターバルを設けなくても良い。また、機関排気系に直接的に燃料を噴射しても良い。
【００６８】
ところで、機関高負荷運転時には、比較的高温の排気ガスがパティキュレートフィルタ２２ａに供給される。従って、その高温の排気ガスによってパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦが上昇せしめられることにより、パティキュレートフィルタ２２ａ上に堆積した微粒子は輝炎を発することなく酸化させられる一方、機関中負荷運転時においてパティキュレートフィルタ２２ａに供給される排気ガス温度は機関高負荷運転時にパティキュレートフィルタ２２ａに供給される排気ガス温度ほど高くない。従って、機関中負荷運転時には、排気ガスによりパティキュレートフィルタ２２ａ上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させるようにパティキュレートフィルタ２２ａの温度ＴＦを上昇させることができない。そのため本実施形態では、パティキュレートフィルタ２２ａ上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させるために、副燃料噴射を実行すると共に主燃料噴射時期を遅角して未燃燃料を機関排気通路内で後燃えさせ、それに伴って温度上昇した排気ガスをパティキュレートフィルタ２２ａに供給するようにしている。
【００６９】
ところで燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ_３が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ_４が生成されるとこの硫酸カルシウムＣａＳＯ_４によってパティキュレートフィルタ２２ａの細孔が閉塞されてしまい、その結果排気ガスがパティキュレートフィルタ２２ａ内を流れづらくなる。この場合、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ_３はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４を形成し、カルシウムＣａはＳＯ_３と結合することなくパティキュレートフィルタ２２ａの隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２２ａの細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように酸素吸蔵・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。
【００７０】
図６は内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードとパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを示した図である。詳細には、図６（Ａ）は第一の運転モードを示しており、図６（Ｂ）は第二の運転モードを示している。図６において縦軸は要求負荷Ｌを示しており、横軸は機関回転数Ｎを示している。本実施形態では、通常は、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード（図６（Ａ））が選択され、パティキュレートフィルタ２２ａ上に堆積した微粒子を酸化除去することによりパティキュレートフィルタ２２ａを再生すべき時には、パティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択される。
【００７１】
詳細には図６（Ａ）に示すように、第一の運転モードは機関低負荷運転領域Ａ１と機関中高負荷運転領域Ａ２とに分割されている。第一の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関低負荷運転領域Ａ１内にある時には、後で詳細に説明する低温燃焼、つまり、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガス量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びＮＯ_Ｘの発生量が同時に抑制される。一方、第一の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関中高負荷運転領域Ａ２内にある時には、煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも燃焼室５内に供給されるＥＧＲガス量が少ない通常燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びＮＯ_Ｘの発生量が同時に抑制される。
【００７２】
図６（Ｂ）に示すように、第二の運転モードは機関低負荷運転領域Ｂ１と機関中負荷運転領域Ｂ２と機関高負荷運転領域Ｂ３とに分割されている。第二の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関低負荷運転領域Ｂ１内にある時には、第一の運転モードと同様に低温燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びＮＯ_Ｘの発生量が同時に抑制される。その上、ＥＧＲガス量を増加させる低温燃焼時には排気ガスの空燃比がリッチになるため、排気ガス中の未燃燃料が機関排気通路内で後燃えしてパティキュレートフィルタ２２ａの温度が上昇すると共に活性酸素の放出量が増加し、その結果、パティキュレートフィルタ２２ａが再生せしめられる。第二の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関中負荷運転領域Ｂ２内にある時には、主燃料噴射に加えて副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角される。副燃料は燃焼室５内においてすべて燃焼することなく機関排気通路内に供給され、機関排気通路内において後燃えする。同様に噴射時期が遅角された主燃料も燃焼室５内においてすべて燃焼することなく機関排気通路内に供給され、機関排気通路内において後燃えする。それにより、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が上昇せしめられ、パティキュレートフィルタ２２ａが再生せしめられる。第二の運転モードが選択されている時であって機関運転状態が機関高負荷運転領域Ｂ３内にある時には、第一の運転モードと同様に通常燃焼が実行される。それにより、内燃機関の燃費が向上せしめられると共に、煤の発生量及びＮＯ_Ｘの発生量が同時に抑制される。その上、機関高負荷運転時には排気ガス温度が比較的高温になるため、その排気ガスによりパティキュレートフィルタ２２ａの温度が上昇せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタ２２ａが再生せしめられる。
【００７３】
図７は本実施形態の運転制御方法を示したフローチャートである。図７に示すように、本ルーチンが開始されると、まずステップ１００においてパティキュレートフィルタ２２ａを再生させるタイミングであるか否かが判定される。具体的には、パティキュレートフィルタ２２ａに微粒子が所定量堆積したと推定された時にパティキュレートフィルタ２２ａを再生させるタイミングであると判定され、パティキュレートフィルタ２２ａに堆積している微粒子量が所定量未満になったと推定された時にパティキュレートフィルタ２２ａを再生させるタイミングでないと判定される。詳細には、第一の運転モードの下での燃焼が行われている時にパティキュレートフィルタ２２ａの容量に基づいて定められた所定期間が経過した時、パティキュレートフィルタ２２ａに微粒子が所定量堆積したと推定される。一方、第二の運転モードの下での燃焼が行われている時にパティキュレートフィルタ２２ａの容量に基づいて定められた所定期間が経過した時、パティキュレートフィルタ２２ａの再生が終了したと推定される。他の実施形態では、その代わりに、内燃機関を搭載した車両が所定距離走行した時にパティキュレートフィルタ２２ａに微粒子が所定量堆積したと推定してもよい。あるいは、パティキュレートフィルタ２２ａの排気ガス流れ上流側に背圧センサ（図示せず）を設け、背圧が上昇した時にパティキュレートフィルタ２２ａに微粒子が所定量堆積したと推定し、背圧が低下した時にパティキュレートフィルタ２２ａの再生が終了したと推定してもよい。ステップ１００においてＮＯと判定された時にはステップ１０１に進み、ステップ１００においてＹＥＳと判定された時にはステップ１０２に進む。ステップ１０２に進む。ステップ１０１では、図６（Ａ）に示した第一の運転モードの下での機関の運転が行われる。一方、ステップ１０２では、図６（Ｂ）に示した第二の運転モードの下での機関の運転が行われる。
【００７４】
図８は図７のステップ１０１において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。図８に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ２００において、機関運転状態が図６（Ａ）の機関低負荷運転領域Ａ１内にあるか否かが判定される。ＹＥＳの時にはステップ２０１に進み、ＮＯの時にはステップ２０７に進む。ステップ２０１では図１０（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１７の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ２０２では図１０（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ２０３ではエアフローメータ４４により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれ、次いでステップ２０４では図９（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ２０５では吸入空気量Ｇａと目標空燃比Ａ／Ｆに基づいて空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ２０６では図１１に示すマップから目標燃料噴射開始時期θＳが算出される。
【００７５】
図９（Ａ）は機関低負荷運転領域Ａ１における目標空燃比Ａ／Ｆを示している。図９（Ａ）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目標空燃比が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９（Ａ）に示されるように機関低負荷運転領域Ａ１では空燃比がリーンとなっており、更に機関低負荷運転領域Ａ１では要求負荷Ｌが低くなるほど目標空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。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９（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。目標空燃比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発明による実施形態では要求負荷Ｌが低くなるにつれて目標空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００７６】
図９（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図９（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。また、空燃比を図９（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁１７の目標開度ＳＴが図１０（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９（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが図１０（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。
【００７７】
一方、ステップ２０７では図１２（Ａ）に示されるマップから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Ｑとされる。次いでステップ２０８では図１２（Ｂ）に示されるマップから目標燃料噴射開始時期θＳが算出され、燃料噴射開始時期がこの目標燃料噴射開始時期θＳとされる。次いでステップ２０９では図１４（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ２１０では図１４（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ２１１ではエアフローメータ４４により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれる。次いでステップ２１２では燃料噴射量Ｑと吸入空気量Ｇａから実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが算出される。次いでステップ２１３では図１３（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ２１４では実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが目標空燃比Ａ／Ｆよりも大きいか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）_Ｒ＞Ａ／Ｆの時にはステップ２１５に進んでスロットル開度の補正値ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ２１７へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_Ｒ≦Ａ／Ｆの時にはステップ２１６に進んで補正値ΔＳＴが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ２１７に進む。ステップ２１７ではスロットル弁１７の目標開度ＳＴに補正値ΔＳＴを加算することにより最終的な目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１７の開度がこの最終的な目標開度ＳＴとされる。即ち、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁１７の開度が制御される。
【００７８】
図１３（Ａ）は通常燃焼が行われる時の目標空燃比Ａ／Ｆを示している。なお、図１３（Ａ）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。図１３（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図１３（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。また、空燃比を図１３（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁１７の目標開度ＳＴが図１４（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１３（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが図１４（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。また、通常燃焼が行われている時には燃料噴射量Ｑは要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づいて算出される。この燃料噴射量Ｑは図１２（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内に記憶されている。同様に、通常燃焼が行われている時には燃料噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づいて算出される。この燃料噴射開始時期θＳは図１２（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。
【００７９】
以下、上述した低温燃焼について詳細に説明する。図１５は機関低負荷運転時にスロットル弁１７の開度及びＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図１５の横軸）を変化させた時の出力トルクの変化、及びスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯ_Ｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図１５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）以下の時にはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。図１５に示されるようにＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度になった時にスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。この時に機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯ_Ｘの発生量がかなり低くなる。一方、この時ＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００８０】
図１６（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１６（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１６（Ａ）と図１６（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１６（Ｂ）に示す場合は、スモークの発生量が多い図１６（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００８１】
図１５及び図１６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１５に示されるようにＮＯ_Ｘの発生量がかなり低下する。ＮＯ_Ｘ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１６からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図１６（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこの時の燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００８２】
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１５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燃焼室５から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１７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１７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１５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。このＨＣが機関排気通路内で後燃えし、排気ガス温度が上昇せしめられることになる。
【００８３】
図１５及び図１６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上になると煤が生成されることが判明したのである。
【００８４】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止する時の燃料及びその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はＮＯ_Ｘの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はＮＯ_Ｘの発生量から或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増大するほど燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度は低下し、ＮＯ_Ｘの発生量が低下する。この時ＮＯ_Ｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下になった時に煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯ_Ｘ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。
【００８５】
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周りの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。即ち、燃料周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、燃料周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。
【００８６】
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周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。
【００８７】
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が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ_２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。
【００８８】
図１８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時のＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図１８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。図１８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１８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。また、図１８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１８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。
【００８９】
図１９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、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１９において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われない時に燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【００９０】
図１９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１９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１９においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられた時に燃料及びその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ５５パーセント以上であり、図１９に示す実施形態では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１５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１９に示すような割合にすると燃料及びその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、この時のＮＯ_Ｘ発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ 前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯ_Ｘの発生量は極めて少量となる。
【００９１】
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１９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。ところで過給が行われていない場合には燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量Ｘの上限はＹであり、従って図１９において要求負荷がＬ_０よりも大きい領域では要求負荷が大きくなるにつれてＥＧＲガス割合を低下させない限り空燃比を理論空燃比に維持することができない。云い換えると過給が行われていない場合に要求負荷がＬ_０よりも大きい領域において空燃比を理論空燃比に維持しようとした場合には要求負荷が高くなるにつれてＥＧＲ率が低下し、斯くして要求負荷がＬ_０よりも大きい領域では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しえなくなる。
【００９２】
ところが、図示しないがＥＧＲ通路を介して過給機の入口側即ち排気ターボチャージャの空気吸込管内にＥＧＲガスを再循環させると要求負荷がＬ_０よりも大きい領域においてＥＧＲ率を５５パーセント以上、例えば７０パーセントに維持することができ、斯くして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ことができる。即ち、空気吸込管内におけるＥＧＲ率が例えば７０パーセントになるようにＥＧＲガスを再循環させれば排気ターボチャージャのコンプレッサにより昇圧された吸入ガスのＥＧＲ率も７０パーセントとなり、斯くしてコンプレッサにより昇圧しうる限度ま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ことができる。従って、低温燃焼を生じさせることのできる機関の運転領域を拡大することができることになる。要求負荷がＬ_０よりも大きい領域でＥＧＲ率を５５パーセント以上にする際にはＥＧＲ制御弁が全開せしめられる、スロットル弁が若干閉弁せしめられる。
【００９３】
前述したように図１９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空気量を図１９に示される空気量よりも少なくしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯ_Ｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図１９に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯ_Ｘ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。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、この時にはＮＯ_Ｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンの時、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、ＮＯ_Ｘも極めて少量しか発生しない。このように、低温燃焼が行われている時には空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、ＮＯ_Ｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えると、この時の平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００９４】
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しうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関低負荷運転時に限られる。従って本発明による実施形態では機関低負荷運転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低温燃焼を行うようにし、機関中高負荷運転時には通常燃焼を行うようにしている。なお、ここで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多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、通常燃焼と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燃焼のことを言う。
【００９５】
次に図２０を参照しつつ図６（Ａ）に示した機関低負荷運転領域Ａ１及び機関中高負荷運転領域Ａ２における運転制御について説明する。図２０は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１７の開度、ＥＧＲ制御弁２５の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期、及び、噴射量を示している。図２０に示されるように要求負荷Ｌの低い機関低負荷運転領域Ａ１ではスロットル弁１７の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから２／３開度程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２５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２０に示される例では機関低負荷運転領域Ａ１におけるＥＧＲ率はほぼ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。
【００９６】
言い換えると機関低負荷運転領域Ａ１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１７の開度及びＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。また、機関低負荷運転領域Ａ１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。なお、アイドル運転時にはスロットル弁１７は全閉近くまで閉弁され、この時にはＥＧＲ制御弁２５も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１７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、アイドル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１７が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００９７】
一方、機関の運転領域が機関低負荷運転領域Ａ１から機関中高負荷運転領域Ａ２に変わるとスロットル弁２０の開度が２／３開度程度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２０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１８）を飛び越えるので機関の運転領域が機関低負荷運転領域Ａ１から機関中高負荷運転領域Ａ２に変わる時に多量のスモークが発生することがない。機関中高負荷運転領域Ａ２では従来から行われている通常燃焼が行われる。この機関中高負荷運転領域Ａ２ではスロットル弁１７は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２５の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。また、この機関中高負荷運転領域Ａ２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、機関中高負荷運転領域Ａ２では噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００９８】
図２１及び図２２は図７のステップ１０２において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。図２１及び図２２に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ３００において、機関運転状態が図６（Ｂ）の機関低負荷運転領域Ｂ１内にあるか否かが判定される。ＹＥＳの時にはステップ２０１に進み、ＮＯの時にはステップ３０１に進む。ステップ２０１では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１０（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１７の開度がこの目標開度ＳＴとされる。次いでステップ２０２では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１０（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ２０３では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様にエアフローメータ４４により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれ、次いでステップ２０４では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図９（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ２０５では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に吸入空気量Ｇａと目標空燃比Ａ／Ｆに基づいて空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要な燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ２０６では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１１に示すマップから目標燃料噴射開始時期θＳが算出される。
【００９９】
ステップ３０１では、機関運転状態が図６（Ｂ）の機関高負荷運転領域Ｂ３内にあるか否かが判定される。ＹＥＳの時にはステップ２０７に進み、ＮＯの時にはステップ３０２に進む。ステップ２０７では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１２（Ａ）に示されるマップから目標燃料噴射量Ｑが算出され、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量Ｑとされる。次いでステップ２０８では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１２（Ｂ）に示されるマップから目標燃料噴射開始時期θＳが算出され、燃料噴射開始時期がこの目標燃料噴射開始時期θＳとされる。次いでステップ２０９では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１４（Ａ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ２１０では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１４（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ２１１では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様にエアフローメータ４４により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれる。次いでステップ２１２では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に燃料噴射量Ｑと吸入空気量Ｇａから実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが算出される。
【０１００】
次いでステップ２１３では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に図１３（Ｂ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ２１４では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様に実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが目標空燃比Ａ／Ｆよりも大きいか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）_Ｒ＞Ａ／Ｆの時には第一の運転モードが選択された場合（図８）と同様にステップ２１５に進んでスロットル開度の補正値ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ２１７へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_Ｒ≦Ａ／Ｆの時には第一の運転モードが選択された場合（図８）と同様にステップ２１６に進んで補正値ΔＳＴが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ２１７に進む。ステップ２１７では第一の運転モードが選択された時（図８）と同様にスロットル弁１７の目標開度ＳＴに補正値ΔＳＴを加算することにより最終的な目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１７の開度がこの最終的な目標開度ＳＴとされる。即ち、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁１７の開度が制御される。
【０１０１】
一方、ステップ３０１において機関運転状態が図６（Ｂ）の機関中負荷運転領域Ｂ２内にあると判定された時には、ステップ３０２において図２３（Ａ）に示されるマップから目標主燃料噴射量Ｑ１が算出され、主燃料噴射量がこの目標主燃料噴射量Ｑ１とされる。次いでステップ３０３では図２３（Ｂ）に示されるマップから目標主燃料噴射開始時期θＳ１が算出され、主燃料噴射開始時期がこの目標主燃料噴射開始時期θＳ１とされる。本実施形態では、この目標主燃料噴射開始時期θＳ１は、図２１のステップ２０８における目標燃料噴射開始時期θＳよりも遅角されている。次いでステップ３０４では図２４（Ａ）に示されるマップから目標副燃料噴射量Ｑ２が算出され、副燃料噴射量がこの目標副燃料噴射量Ｑ２とされる。次いでステップ３０５では図２４（Ｂ）に示されるマップから目標副燃料噴射開始時期θＳ２が算出され、副燃料噴射開始時期がこの目標副燃料噴射開始時期θＳ２とされる。本実施形態では、この目標副燃料噴射開始時期θＳ２は排気行程と吸気行程との間に設定されており、この副燃料噴射はいわゆるＶＩＧＯＭ噴射である。本実施形態の変形例では、このＶＩＧＯＭ噴射の代わりに副燃料噴射としていわゆるパイロット噴射を行うことも可能であり、その場合、目標副燃料噴射開始時期はステップ３０３において算出される目標主燃料噴射開始時期θＳ１の直前の圧縮行程末期に設定される。
【０１０２】
次いでステップ３０６では図２５（Ｂ）に示すマップからスロットル弁１７の目標開度ＳＴが算出される。次いでステップ３０７では図２５（Ｃ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが算出され、ＥＧＲ制御弁２５の開度がこの目標開度ＳＥとされる。次いでステップ３０８ではエアフローメータ４４により検出された吸入空気量Ｇａが取込まれる。次いでステップ３０９では燃料噴射量Ｑ１と吸入空気量Ｇａから実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが算出される。次いでステップ３１０では図２５（Ａ）に示すマップから目標空燃比Ａ／Ｆが算出される。次いでステップ３１１では実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが目標空燃比Ａ／Ｆよりも大きいか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）_Ｒ＞Ａ／Ｆの時にはステップ３１２に進んでスロットル開度の補正値ΔＳＴが一定値αだけ減少せしめられ、次いでステップ３１４へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_Ｒ≦Ａ／Ｆの時にはステップ３１３に進んで補正値ΔＳＴが一定値αだけ増大せしめられ、次いでステップ３１４に進む。ステップ３１４ではスロットル弁１７の目標開度ＳＴに補正値ΔＳＴを加算することにより最終的な目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁１７の開度がこの最終的な目標開度ＳＴとされる。即ち、実際の空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｒが目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁１７の開度が制御される。
【０１０３】
第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時の目標空燃比Ａ／Ｆは図２５（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内に記憶されている。また、空燃比を図２５（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なスロットル弁１７の目標開度ＳＴが図２５（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内に記憶されており、空燃比を図２５（Ａ）に示す目標空燃比Ａ／Ｆとするのに必要なＥＧＲ制御弁２５の目標開度ＳＥが図２５（Ｃ）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。また、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には主燃料噴射量Ｑ１は要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づいて算出される。この主燃料噴射量Ｑ１は図２３（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内に記憶されている。同様に、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には主燃料噴射開始時期θＳ１は要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づいて算出される。この主燃料噴射開始時期θＳ１は図２３（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。更に、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には副燃料噴射量Ｑ２は要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づいて算出される。この副燃料噴射量Ｑ２は図２４（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内に記憶されている。同様に、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時には副燃料噴射開始時期θＳ２は要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに基づいて算出される。この副燃料噴射開始時期θＳ２は図２４（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。
【０１０４】
図２６は第二の運転モード時にパティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温するのを抑制する制御方法を示したフローチャートである。このルーチンは図７のステップ１００においてＹＥＳと判定され、パティキュレートフィルタ２２ａが再生されている時に割り込みルーチンとして実行される。図２６に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ４００において、パティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうか否かが判定される。本実施形態では、図７のステップ１００においてＹＥＳと判定され、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えが行われた時点からの経過時間が所定の閾値を超えた時に、パティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうになったと判定される。他の実施形態では、その代わりに、出ガス温度センサ３９ｂにより検出されたパティキュレートフィルタ２２ａからの出ガス温度が所定の閾値を超えた時に、パティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうになったと判定することも可能である。ステップ４００においてＹＥＳと判定された時にはステップ４０１に進み、ＮＯと判定された時にはこのルーチンを終了する。
【０１０５】
ステップ４０１では、機関運転状態が図６（Ｂ）の機関低負荷運転領域Ｂ１内にあるか否かが判定される。ＹＥＳの時、つまり、第二の運転モードが選択されている機関低負荷運転時であって低温燃焼が実行されている時にはステップ４０２に進み、ＮＯの時にはステップ４０５に進む。ステップ４０２では、図２１のステップ２０４において図９（Ｂ）のマップに基づいて算出された目標空燃比Ａ／Ｆがリーン化せしめられる。その結果、機関排気通路内で後燃えしていた燃料が燃焼室５内において燃焼されるようになり、排気ガス温度の過剰昇温が抑制される。ステップ４０３では、機関運転状態が図６（Ｂ）の機関高負荷運転領域Ｂ３内にあるか否かが判定される。ＹＥＳの時、つまり、第二の運転モードが選択されている機関高負荷運転時であって通常燃焼が実行されている時にはステップ４０４に進み、ＮＯの時、つまり、第二の運転モードが選択されている機関中負荷運転時であって副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている時にはステップ４０５に進む。ステップ４０４では、図２１のステップ２０８において図１２（Ｂ）のマップに基づいて算出された目標燃料噴射開始時期θＳが進角せしめられる。その結果、機関排気通路内で後燃えしていた燃料が燃焼室５内において燃焼されるようになり、排気ガス温度の過剰昇温が抑制される。一方、ステップ４０５では図２２のステップ３０３において図２３（Ｂ）のマップに基づいて算出された目標主燃料噴射開始時期θＳ１が進角せしめられると共に、副燃料噴射が中止される。その結果、機関排気通路内で後燃えしていた燃料が燃焼室５内において燃焼されるようになり、排気ガス温度の過剰昇温が抑制される。
【０１０６】
好適には、ステップ４０２における目標空燃比Ａ／Ｆのリーン化が徐々に行われ、ステップ４０４における目標燃料噴射開始時期θＳの進角が徐々に行われ、ステップ４０５における目標主燃料噴射開始時期θＳ１の進角が徐々に行われる。また、他の実施形態では、ステップ４０２、ステップ４０４及びステップ４０５を実行する代わりに、ステップ４００においてパティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうであると判定された時に、第一の運転モード時に実行される燃焼を割り込み実行することも可能である。好適には、この割り込み実行の頻度が徐々に増加される。
【０１０７】
図２７及び図２８は時間とパティキュレートフィルタ２２ａの温度との関係を示した図である。詳細には、図２７（Ａ）は図２６に示すパティキュレートフィルタの過剰昇温抑制制御ルーチンが設けられていない場合を示している。図２７（Ａ）に示す場合には、時間ｔ１に図７のステップ１００においてＹＥＳと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えし、パティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガスの温度である入りガス温度及びパティキュレートフィルタ２２ａから流出する排気ガスの温度である出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が再生温度領域（Ｔ１〜Ｔ２）内に入る。ところが、図２６に示すパティキュレートフィルタの過剰昇温抑制制御ルーチンが設けられていないと出ガス温度が上昇し続けてしまい、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が焼損温度領域（Ｔ３以上）内に入ってしまう。
【０１０８】
図２７（Ｂ）、図２８（Ａ）及び図２８（Ｂ）は図２６に示すパティキュレートフィルタの過剰昇温抑制制御ルーチンが設けられている場合を示している。図２７（Ａ）に示す場合には、時間ｔ１に図７のステップ１００においてＹＥＳと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えして入りガス温度及び出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が再生温度領域（Ｔ１〜Ｔ２）内に入る。その後、図２６のステップ４００においてパティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうであると判定されることなく、時間ｔ２に図７のステップ１００においてパティキュレートフィルタ２２ａを再生させるタイミングでなくなった、つまり、パティキュレートフィルタ２２ａの再生が終了したと判定され、再びステップ１０１において第一の運転モードの下での燃焼が行われる。
【０１０９】
図２８（Ａ）に示す場合には、時間ｔ１に図７のステップ１００においてＹＥＳと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えして入りガス温度及び出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が再生温度領域（Ｔ１〜Ｔ２）内に入る。その後、時間ｔ３に図２６のステップ４００においてパティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうになったと判定され、図２６のステップ４０２、ステップ４０４又はステップ４０５が実行されてパティキュレートフィルタ２２ａの昇温が抑制される。次いで時間ｔ４に図２６のステップ４００においてＮＯと判定されて時間ｔ１〜時間ｔ３の間と同様に第二の運転モードの下での燃焼が実行される。次いで時間ｔ５に図２６のステップ４００においてパティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうになったと判定され、図２６のステップ４０２、ステップ４０４又はステップ４０５が実行されてパティキュレートフィルタ２２ａの昇温が抑制される。次いで時間ｔ６に図２６のステップ４００においてＮＯと判定されて時間ｔ１〜時間ｔ３の間と同様に第二の運転モードの下での燃焼が実行される。次いで時間ｔ７に図７のステップ１００においてパティキュレートフィルタ２２ａを再生させるタイミングでなくなった、つまり、パティキュレートフィルタ２２ａの再生が終了したと判定され、再びステップ１０１において第一の運転モードの下での燃焼が行われる。
【０１１０】
図２８（Ｂ）に示す場合には、時間ｔ１に図７のステップ１００においてＹＥＳと判定され第二の運転モードの下での燃焼が実行されると、機関排気通路内において燃料が後燃えして入りガス温度及び出ガス温度が上昇し、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が再生温度領域（Ｔ１〜Ｔ２）内に入る。その後、時間ｔ８に図２６のステップ４００においてパティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温しそうになったと判定され、第一の運転モードの下での燃焼が割り込み実行される。次いで時間ｔ９に図２６のステップ４００においてＮＯと判定されて時間ｔ１〜時間ｔ８の間と同様に第二の運転モードの下での燃焼が実行される。次いで時間ｔ１０に図７のステップ１００においてパティキュレートフィルタ２２ａを再生させるタイミングでなくなった、つまり、パティキュレートフィルタ２２ａの再生が終了したと判定され、再びステップ１０１において第一の運転モードの下での燃焼が行われる。
【０１１１】
本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａに担持されている酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１により、周囲に過剰酸素が存在する時に酸素が取り込まれて保持され、周囲の酸素濃度が低下した時にその保持された酸素が活性酸素の形で放出される。そのため、従来の場合のように微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した後にその微粒子が輝炎を発して除去されるのと異なり、微粒子がパティキュレートフィルタ２２ａ上に積層状に堆積する前に、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１が放出する活性酸素により、輝炎を発することなくその微粒子を酸化除去することができる。更に本実施形態によれば、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード（図６（Ａ））とパティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））とが必要に応じて切り換えられる。そのため、内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制することができる。詳細には、図７のステップ１００において、原則的に内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード（図６（Ａ））が選択され、パティキュレートフィルタ２２ａを再生することが必要になった時にパティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択される。そのため、パティキュレートフィルタ２２ａに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【０１１２】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択されている時であって機関中負荷運転時（図６（Ｂ）のＢ２）に図２２のステップ３０４において副燃料噴射が実行されると共にステップ３０３において主燃料噴射時期が遅角される。そのため、低温燃焼を実行可能な機関低負荷運転時（Ｂ１）でなく、かつ、高温排気ガスを排出可能な機関高負荷運転時（Ｂ３）でない機関中負荷運転時（Ｂ２）であってもパティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガス温度を高くすることができ、それゆえ、パティキュレートフィルタ２２ａを再生することができる。
【０１１３】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択されて低温燃焼が実行されている時（図６（Ｂ）のＢ１）であっても、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうな時には図２６のステップ４０２において空燃比がリーン化される。そのため、パティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択されて図２２のステップ３０４において副燃料噴射が実行されると共にステップ３０３において主燃料噴射時期が遅角されている時（図６（Ｂ）のＢ２）であっても、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうな時には図２６のステップ４０５において主燃料噴射時期が進角されると共に副燃料噴射が中止される。そのため、パティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。更にパティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択されて通常燃焼が実行されている時（図６（Ｂ）のＢ３）であっても、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうな時には図２６のステップ４０４において燃料噴射時期が進角される。そのため、パティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。つまり、パティキュレートフィルタ２２ａを再生している時にパティキュレートフィルタ２２ａの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタ２２ａが溶損してしまうのを回避することができる。
【０１１４】
更に上述した他の実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択されている時であっても、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうな時には、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード（図６（Ａ））が選択されている時に実行される燃焼であって、詳細にはパティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガス温度が比較的低くなる燃焼が割り込み実行される。そのため、パティキュレートフィルタ２２ａを再生している時にパティキュレートフィルタ２２ａの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタ２２ａが溶損してしまうのを回避することができる。
【０１１５】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうか否かが、図２６のステップ４００において第一の運転モード（図６（Ａ））から第二の運転モード（図６（Ｂ））への切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタ２２ａの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的容易に判定することができる。
【０１１６】
更に上述した他の実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうか否かが出ガス温度センサ３９ｂにより検出された排気ガス温度に基づいて判定される。そのため、パティキュレートフィルタ２２ａの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的正確に判定することができる。
【０１１７】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒２２ｂが配置される。そのため、排気ガスがその触媒２２ｂを通過する際に酸化せしめられ、その酸化熱によりパティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガスの温度を上昇させることができ、パティキュレートフィルタ２２ａの温度を比較的高い温度に維持することができる。また、微粒子のバインダとして作用するＳＯＦがその触媒２２ｂにより酸化せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタ２２ａにおいて微粒子が堆積しづらくなるようにすることができる。
【０１１８】
更に本実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２ａに微粒子が所定量堆積したと推定された時に図７のステップ１００においてＹＥＳと判定され、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モード（図６（Ａ））からパティキュレートフィルタ２２ａを再生することを優先させた第二の運転モード（図６（Ｂ））への切り換えが行われる。そのため、ステップ１０２を実行し続けることによりパティキュレートフィルタ２２ａに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【０１１９】
また本実施形態によれば、機関低負荷運転時に低温燃焼が実行されるため、機関低負荷運転時に通常燃焼が実行される場合に比べてパティキュレートフィルタ２２ａ内に流入する排気ガス温度を高くすることができる。それゆえ、低温燃焼が実行されない場合に比べ、パティキュレートフィルタ２２ａを再生することができる機関運転領域を拡大することができる。また本実施形態によれば、比較的容量の大きい酸化機能を有する触媒２２ｂがパティキュレートフィルタ２２ａの排気ガス流れ上流側に配置されるため、パティキュレートフィルタ２２ａに平準化された高温排気ガスを供給することができ、それゆえ、パティキュレートフィルタ２２ａが局部的に過剰に昇温してしまうのを抑制することができる。
【０１２０】
また本実施形態によれば、第一の運転モード（図６（Ａ））が選択される時間の長さ及び第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択される時間の長さを適宜設定することにより、第一の運転モード（図６（Ａ））選択時に煤が過剰に堆積するのに伴って第二の運転モード（図６（Ｂ））選択時にパティキュレートフィルタ２２ａの温度が過剰に昇温してしまうのを抑制することができ、更に第一の運転モード（図６（Ａ））が選択される時間が長すぎるのに伴ってパティキュレートフィルタ２２ａの温度が低下し過ぎてしまうのを抑制すると共に、第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択される時間が長すぎるのに伴ってパティキュレートフィルタ２２ａの温度が上昇し過ぎてしまうのを抑制することができる。
【０１２１】
また本実施形態によれば、第一の運転モード（図６（Ａ））が選択されている時であっても機関低負荷運転時に低温燃焼が実行されるため、パティキュレートフィルタ２２ａの温度が低下するのを抑制することができる。そのため、第一の運転モード（図６（Ａ））が選択され低温燃焼が実行されていた後に第二の運転モード（図６（Ｂ））に切り換えられた場合に、第二の運転モード（図６（Ｂ））が選択されている時間を短くすることができる。
【０１２２】
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ＮＯ_２又はＳＯ_３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５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（Ｃｅ_２Ｏ_３→２ＣｅＯ_２）、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（２ＣｅＯ_２→Ｃｅ_２Ｏ_３）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、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置の近傍雰囲気を定期的又は不定期にリッチ空燃比にする必要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良い。
【０１２３】
本実施例において、パティキュレートフィルタ自身が酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持して、この酸素吸蔵・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物質は、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。この場合においても、パティキュレートフィルタの昇温は、パティキュレート自身の温度を高めて酸化除去させ易くなる。
【０１２４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の燃費を向上させつつパティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを抑制することができる。詳細には、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。また、低温燃焼を実行可能な機関低負荷運転時でなく、かつ、高温排気ガスを排出可能な機関高負荷運転時でない機関中負荷運転時であってもパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度を高くすることができ、それゆえ、パティキュレートフィルタを再生することができる。
【０１２５】
請求項２に記載の発明によれば、従来の場合のように微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積した後にその微粒子が輝炎を発して除去されるのと異なり、微粒子がパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する前に、酸素吸蔵・活性酸素放出剤が放出する活性酸素により、輝炎を発することなくその微粒子を酸化除去することができる。
【０１２６】
請求項３に記載の発明によれば、パティキュレートの付着等によって周囲の酸素濃度が低下すれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は自然に活性酸素を放出して捕集微粒子を酸化除去することができる。
【０１２７】
請求項４に記載の発明によれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤は排気ガス中のＮＯ_Ｘも吸蔵するために、ＮＯ_Ｘの大気放出量を低減することができる。
【０１２９】
請求項５及び６に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガス温度が低下せしめられ、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇するのを回避することができる。つまり、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【０１３０】
請求項７に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタを再生している時にパティキュレートフィルタの温度が上昇し過ぎてしまい、パティキュレートフィルタが溶損してしまうのを回避することができる。
【０１３１】
請求項８に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的容易に判定することができる。
【０１３２】
請求項９に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの温度を実際に検出することなく、パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを比較的正確に判定することができる。
【０１３３】
請求項１０に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに微粒子が堆積するのを必要以上に抑制し、それに伴って内燃機関の燃費が悪化してしまうのを回避することができる。
【０１３４】
請求項１１に記載の発明によれば、排気ガスがその触媒を通過する際に酸化せしめられ、その酸化熱によりパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの温度を上昇させることができ、パティキュレートフィルタの温度を比較的高い温度に維持することができる。また、微粒子のバインダとして作用するＳＯＦがその触媒により酸化せしめられ、その結果、パティキュレートフィルタにおいて微粒子が堆積しづらくなるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関に適用した第一の実施形態を示した図である。
【図２】パティキュレートフィルタ２２ａの構造を示した図である。
【図３】排気ガス流入通路５０の内周面上に形成された担体層の表面の拡大図である。
【図４】微粒子の酸化の様子を示した図である。
【図５】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を示した図である。
【図６】内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードとパティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを示した図である。
【図７】第一の実施形態の運転制御方法を示したフローチャートである。
【図８】図７のステップ１０１において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。
【図９】機関低負荷運転領域Ａ１における空燃比等を示す図である。
【図１０】機関低負荷運転領域Ａ１におけるスロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１１】機関低負荷運転領域Ａ１における燃焼噴射開始時期を示す図である。
【図１２】機関中高負荷運転領域Ａ２における目標燃料噴射量等のマップを示す図である。
【図１３】機関中高負荷運転領域Ａ２における空燃比等を示す図である。
【図１４】機関中高負荷運転領域Ａ２におけるスロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１５】スモーク及びＮＯ_Ｘの発生量等を示す図である。
【図１６】燃焼圧を示す図である。
【図１７】燃料分子を示す図である。
【図１８】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図１９】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図２０】要求負荷Ｌに対するスロットル弁１７の開度、ＥＧＲ制御弁２５の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期及び噴射量を示した図である。
【図２１】図７のステップ１０２において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。
【図２２】図７のステップ１０２において実行されるサブルーチンを示したフローチャートである。
【図２３】機関中負荷運転領域Ｂ２における目標主燃料噴射量等のマップを示す図である。
【図２４】機関中負荷運転領域Ｂ２における目標副燃料噴射量等のマップを示す図である。
【図２５】機関中負荷運転領域Ｂ２における目標空燃比等のマップを示す図である。
【図２６】第二の運転モード時にパティキュレートフィルタ２２ａが過剰に昇温するのを抑制する制御方法を示したフローチャートである。
【図２７】時間とパティキュレートフィルタ２２ａの温度との関係を示した図である。
【図２８】時間とパティキュレートフィルタ２２ａの温度との関係を示した図である。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２０…排気管
２２ａ…パティキュレートフィルタ
２５…ＥＧＲ制御弁
６１…酸素吸蔵・活性酸素放出剤

Claims (11)

1. 機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置した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上では捕集微粒子が酸化させられ、内燃機関の燃費を向上させることを優先させた第一の運転モードと、前記パティキュレートフィルタを再生することを優先させた第二の運転モードとを具備し、第一の運転モードと第二の運転モードとを必要に応じて切り換えるようにした内燃機関の排気浄化装置において、
   前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、第一の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が多く煤がほとんど発生しない低温燃焼が実行され、第一の運転モードが選択されている時であって機関中高負荷運転時に煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量が少ない通常燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関低負荷運転時に低温燃焼が実行され、第二の運転モードが選択されている時であって機関中負荷運転時に副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角され、第二の運転モードが選択されている時であって機関高負荷運転時に通常燃焼が実行されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記パティキュレートフィルタが酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持し、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤から放出された活性酸素が前記パティキュレートフィルタ上で捕集微粒子を酸化することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記酸素吸蔵・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り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請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ及び酸素をＮＯ_Ｘと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時に、低温燃焼が実行されている場合には空燃比をリーン化し、副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合には主燃料噴射時期を進角させ、通常燃焼が実行されている場合には燃料噴射時期を進角させるようにした請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 副燃料噴射が実行されると共に主燃料噴射時期が遅角されている場合に主燃料噴射時期を進角させる時には、副燃料噴射を中止するようにした請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 第二の運転モードが選択されている時であって前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうな時には、第一の運転モードが選択されている時に実行される燃焼を割り込み実行するようにした請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを、第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行った時からの経過時間に基づいて判定するようにした請求項５から７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記パティキュレートフィルタの温度が過剰に上昇しそうか否かを排気ガス温度に基づいて判定するようにした請求項５から７のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記パティキュレートフィルタに微粒子が所定量堆積したと推定された時に第一の運転モードから第二の運転モードへの切り換えを行うようにした請求項１ から９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記パティキュレートフィルタの排気ガス流れ上流側に酸化機能を有する触媒を配置した請求項１から１０のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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