JP3570392B2 - Exhaust gas purification method - 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方法に関する。
【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。したが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。そこで比較的低い温度であっても捕集された微粒子を着火燃焼させようとする技術が公知である（例えば特公平７−１０６２９０号公報参照）。この公知の技術は低温から微粒子が着火燃焼することで堆積した微粒子を連続的に燃焼除去させることを意図している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上述した特公平７−１０６２９０号公報に記載の排気ガス浄化方法により排気ガス中の微粒子を除去するようにした場合においてもパティキュレートフィルタ表面に微粒子が堆積してしまうことがある。ここでパティキュレートフィルタの温度が微粒子の着火温度まで上昇するとパティキュレートフィルタ表面に堆積している微粒子が一気に着火燃焼し、これによりパティキュレートフィルタの温度が急激に上昇し、遂にはパティキュレートフィルタが微粒子の燃焼熱により溶損し、或いは溶損に至らないまでもパティキュレートフィルタに担持された触媒が熱劣化する可能性がある。
【０００４】
こうした問題に鑑み、本発明の目的はパティキュレートフィルタ表面に堆積した微粒子の燃焼熱によりパティキュレートフィルタが熱劣化することを防止することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において酸化除去せしめるようにした排気ガス浄化方法であって、パティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高くなったときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を第一の閾値よりも少なくするか、或いは該第一の閾値よりも大きい第二の閾値よりも多くする流入排気ガス量変更処理を実行し、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を上記第一の閾値よりも少なくする場合、排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせることによってパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零にすることでパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を上記第一の閾値よりも少なくするようにした排気ガス浄化方法において、機関排気通路から第一の排気枝管と第二の排気枝管とを分岐させ、これら第一の排気枝管と第二の排気枝管とをこれらが分岐せしめられる分岐点の下流側において互いに接続してループ状の排気通路を形成し、該ループ状の排気通路内に上記パティキュレートフィルタが配置され、排気ガスを第一の排気枝管と第二の排気枝管のいずれを介してパティキュレートフィルタに流入させるかを切り換えるために回動可能な切換弁を上記分岐点に配置し、該切換弁は第一の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第一の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第二の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第二の回動位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを第二の排気枝管を介してパティキュレートフィルタに流入させ、該パティキュレートフィルタから第一の排気枝管を介して分岐点下流の機関排気通路に流出させ、第一の回動位置と第二の回動位置との間の中立位置とされたときには分岐点上流の排気ガスを分岐点下流の機関排気通路に直接流入させ、切換弁を中立位置とすることにより排気ガスにパティキュレートフィルタをバイパスさせるようにした排気ガス浄化方法が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例を参照して本発明を説明する。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。コンプレッサ１５の上流側の吸気管１３ｂには吸入される空気の質量流量を検出するための質量流量計１３ａが取り付けられる。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、さらに吸気ダクト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に示した実施例では冷却装置１８内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水により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。
【００１３】
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）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に示した実施例では冷却装置２６内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水により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が取り付けられ、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。
【００１４】
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により互いに接続された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が取り付けられ、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。また質量流量計１３ａ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。さらに入力ポート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。
【００１５】
図２にパティキュレートフィルタ２２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２２の正面図であり、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図である。図２（Ａ）および（Ｂ）に示した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。
【００１６】
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。したが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が四つの排気ガス流出通路５１により包囲され、各排気ガス流出通路５１が四つの排気ガス流入通路５０により包囲されるように配置される。
【００１７】
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、したが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）において矢印で示したように周囲の隔壁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。
本発明の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、すなわち各隔壁５４の両側表面上、栓５３の外端面および栓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と、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且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とが担持されている。
【００１８】
本発明の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、鉄Ｆｅのような遷移金属、およびスズＳｎのような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００１９】
なお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またはアルカリ土類金属、すなわちカリウム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。
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、炭素族元素を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【００２０】
図１に示した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、したがって排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。すなわち吸気通路および燃焼室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に示した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。また燃料中には硫黄成分Ｓが含まれており、この硫黄成分Ｓは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ２となる。したがって排気ガス中にはＳＯ２が含まれている。したがって過剰酸素、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。
【００２１】
図３（Ａ）および（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わしている。なお図３（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３（Ａ）に示したようにこれら酸素Ｏ２がＯ２ −または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 −または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３（Ａ）に示したように硝酸イオンＮＯ３ −の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ３を生成する。
【００２２】
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り活性酸素放出剤６１内に吸収される。すなわち上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −または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 −または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上でさらに酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ２ＳＯ４を生成する。このようにして活性酸素放出剤６１内には硝酸カリウムＫＮＯ３および硫酸カリウムＫ２ＳＯ４が生成される。
【００２３】
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、したが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３（Ｂ）において６２で示した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。
【００２４】
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、その一方で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。
【００２５】
またこのとき活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ２ＳＯ４もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ２とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、その一方で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。ただし硫酸カリウムＫ２ＳＯ４は安定で分解しづらいので硫酸カリウムＫ２ＳＯ４は硝酸カリウムＫＮＯ３よりも活性酸素を放出しづらい。
また活性酸素放出剤６１は上述したようにＮＯｘを硝酸イオンＮＯ３ −の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。同様に活性酸素放出剤６１は上述したようにＳＯ２を硫酸イオンＳＯ４ ２−の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。
【００２６】
ところで微粒子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Ｋ２ＳＯ４のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。したがって微粒子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。同様に活性酸素放出剤６１におけるＮＯｘと酸素との反応過程、或いはＳＯ２と酸素との反応過程にて生成される酸素も活性酸素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は短時間（数秒〜数十分）のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子６２は完全に消滅する。したがって微粒子６２がパティキュレートフィルタ２２上に堆積することはほとんどない。すなわち活性酸素放出剤６１は微粒子を酸化するための酸化物質である。
【００２７】
従来のように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、したが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２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００２８】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。すなわ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。したが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。
【００２９】
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。
【００３０】
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を示している。なお図５において横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。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よりも少ないとき、すなわち図５の領域Ｉにあるときには燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２に接触すると短時間（数秒〜数十分）のうちにパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００３１】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、すなわち図５の領域ＩＩにあるときに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）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
すなわ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）に示したように微粒子６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果、図４（Ｂ）に示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われるようになる。
【００３２】
担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ２の酸化作用および活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が行われなくな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）に示した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。すなわ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微粒子６４はもはや活性酸素Ｏにより酸化されることがなく、したがってこの微粒子６４上にさらに別の微粒子が次から次へと堆積する。すなわち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２２上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００３３】
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２２上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図５の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する。したがって微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時、酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくしておく必要がある。
【００３４】
図５から判るように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２２ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、したがって図１に示した圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少なくなるように維持することが可能である。したがって本発明による第一の実施例においては排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少なくなるように維持するようにしている。
【００３５】
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２２上に微粒子がほとんど堆積せず、斯くして背圧がほとんど上昇しない。したがって機関出力はほとんど低下しない。
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２２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始めているときに、すなわち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排気微粒子量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により輝炎を発することなく酸化除去される。したがって第二の実施例では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなり、かつ排出微粒子量Ｍが一時的に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）に示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われないように、すなわち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなったとき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２２上に積層しないように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを維持するようにしている。
【００３６】
特に機関始動直後はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは低く、したがってこのときには排出微粒子量Ｍのほうが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。したがって実際の運転を考えると第二の実施例のほうが現実に合っていると考えられる。
一方、第一の実施例または第二の実施例を実行しうるように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを制御していたとしてもパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合には排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ２２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。
【００３７】
すなわち排気ガスの空燃比がリーンである状態が一定期間に亘って継続すると白金Ｐｔ上に酸素が多量に付着し、このために白金Ｐｔの触媒作用が低下してしまう。ところが排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させると白金Ｐｔから酸素が除去され、斯くして白金Ｐｔの触媒作用が回復する。これにより排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出されやすくなる。斯くして一気に放出された活性酸素Ｏにより堆積している微粒子が酸化されやすい状態に変質せしめられると共に微粒子が活性酸素により輝炎を発することなく一気に燃焼除去される。斯くして排気ガスの空燃比をリッチにすると全体として酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。なおこの場合、パティキュレートフィルタ２２上において微粒子が積層状に堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチにしてもよいし、微粒子が積層状に堆積しているか否かに係わらず周期的に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよい。
【００３８】
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ときに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の開度およびＥＧＲ制御弁２５の開度を制御し、このとき燃焼室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。
【００３９】
以上説明した内燃機関の運転制御ルーチンの一例を図６に示した。
図６を参照するとまず初めにステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきか否かが判別される。燃焼室５内の平均空燃比をリッチにする必要がないときには排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにステップ１０１においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０２においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、ステップ１０３において燃料噴射量が制御される。
【００４０】
一方、ステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきであると判別されたときにはＥＧＲ率が６５パーセント以上になるようにステップ１０４においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０５においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、燃焼室５内の平均空燃比がリッチとなるようにステップ１０６において燃料噴射量が制御される。
【００４１】
ところで燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、したがって排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ３が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４は固体であって高温になっても熱分解しない。したがって硫酸カルシウムＣａＳＯ４が生成されるとこの硫酸カルシウムＣａＳＯ４によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されてしまい、その結果、排気ガスがパティキュレートフィルタ２２内を流れづらくなる。
【００４２】
この場合、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ３はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ２ＳＯ４を形成し、カルシウムＣａはＳＯ３と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。したがってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。したがって前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウム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。
【００４３】
また本発明はパティキュレートフィルタ２２の両側面上に形成された担体の層上に白金Ｐｔのような貴金属のみを担持した場合にも適用することができる。ただしこの場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図５に示す実線に比べて若干、右側に移動する。この場合には白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ２またはＳＯ３から活性酸素が放出される。
【００４４】
また活性酸素放出剤としてＮＯ２またはＳＯ３を吸着保持し、これら吸着されたＮＯ２またはＳＯ３から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
ところで上述した排気ガス浄化方法を用いてパティキュレートフィルタ２２において微粒子を酸化除去するようにしてもなおパティキュレートフィルタ２２の表面に微粒子が堆積することがある。このようにパティキュレートフィルタ２２の表面に堆積した微粒子（以下、堆積微粒子）をそのまま放置しておくとやがてはパティキュレートフィルタ２２の表面を覆い、パティキュレートフィルタ２２の酸化能力を低下させ、また隔壁５４の細孔が目詰まりし、排気ガスがパティキュレートフィルタ２２を通過することができなくなってしまう可能性がある。そこで本発明によればパティキュレートフィルタ２２の表面に微粒子が所定量以上に堆積したときには堆積微粒子を強制的に酸化させるか、或いは徐々に燃焼させてパティキュレートフィルタ２２から除去する。堆積微粒子を酸化させるか、或いは徐々に燃焼させるにはパティキュレートフィルタ２２の温度を或る一定の温度、例えば微粒子が酸化し始める微粒子酸化温度まで上昇させればよく、このためには例えばパティキュレートフィルタ２２に酸素と炭化水素とを供給し、これら酸素と炭化水素とをパティキュレートフィルタ２２内において燃焼させればよい。
【００４５】
ところで堆積微粒子量が比較的多いと堆積微粒子を強制的に酸化させるか、或いは徐々に燃焼させている間に堆積微粒子が火炎を発して一気に燃焼し始める可能性がある。この場合にはパティキュレートフィルタ２２の温度が急激に非常に高くなり、パティキュレートフィルタ２２の一部が溶損し、或いは溶損にまで至らなくても活性酸素放出剤が熱劣化（以下、溶損を含めて熱劣化と称す。）する可能性がある。そこで本発明では以下のようにして堆積微粒子除去処理中においてパティキュレートフィルタの熱劣化を防止するようにする。
【００４６】
本発明においてパティキュレートフィルタの熱劣化を防止するための具体的な考え方としては主に二つある。一つはパティキュレートフィルタ２２の温度が堆積微粒子が着火する温度（以下、微粒子着火温度）に達したときに堆積微粒子の燃焼自体を阻止するという考え方であり、もう一つはパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子着火温度に達したときに堆積微粒子の燃焼を許容しつつ堆積微粒子の燃焼熱を迅速にパティキュレートフィルタ２２から放熱させるという考え方である。次にこれらの考え方を実現するための具体的な方法について順に説明する。
【００４７】
パティキュレートフィルタ２２において堆積微粒子が燃焼するためには酸素が必要である。そこで一つ目の考え方に従って堆積微粒子の燃焼自体を阻止するためにはパティキュレートフィルタ２２に流入する酸素量を少なくすればよい。これによれば堆積微粒子の燃焼自体が阻止されるのでパティキュレートフィルタ２２の温度はパティキュレートフィルタ２２の熱劣化が生じるほどには高温にならない。なおパティキュレートフィルタ２２に流入する酸素量を少なくするには例えば燃焼室５に流入する空気の量を少なくするか、或いはパティキュレートフィルタ２２上流側の排気管と下流側の排気管とを接続するバイパス通路を設け、このバイパス通路を介して排気ガスにパティキュレートフィルタ２２をバイパスさせるかして、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量を少なくすればよい。また図７〜図９に示したようなバイパス機構を採用した場合にはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を略零とすることができる。
【００４８】
図７〜図９に示したバイパス機構を簡単に説明する。排気管２０ａは排気流切換え管８０に接続される。排気流切換え管８０は三つの開口を有し、これら開口はそれぞれ第一の排気枝管８１ａと、第二の排気枝管８１ｂと、排気管８２とに接続される。すなわち排気流切換え管８０において一対の第一の排気枝管８１ａと第二の排気枝管８１ｂとが排気管２０ａから分岐する。第一の排気枝管８１ａはパティキュレートフィルタ２２の一方の端部に接続され、第二の排気枝管８１ｂはパティキュレートフィルタ２の他方の端部に接続される。すなわち第一の排気枝管８１ａと第二の排気枝管８１ｂとは互いに接続されてループ状の排気通路を形成し、このループ状の排気通路内にパティキュレートフィルタ２２が配置される。以下、説明の便宜のために第一の排気枝管８１ａが接続されるパティキュレートフィルタ２２の端部を第一の端部と称し、第二の排気枝管８１ｂが接続されるパティキュレートフィルタ２２の端部を第二の端部と称する。
【００４９】
排気流切換え管８０内には切換弁８０ａが配置される。切換弁８０ａはその回動位置を変えることにより排気ガスを第一の排気枝管８１ａを介してパティキュレートフィルタ２２の第一の端部に流入させるか、或いは第二の排気枝管８１ｂを介してパティキュレートフィルタ２２の第二の端部に流入させるか、或いはパティキュレートフィルタ２２に全く流入させずに直接排気管８２に流入させるかを切り換えることができる。
【００５０】
すなわち切換弁８０ａは図７に示した第一の回動位置に位置決めされたときには排気流切換え管８０の上流の排気ガスを図７の矢印で示したように第一の排気枝管８１ａを介してパティキュレートフィルタ２２の第一の端部からパティキュレートフィルタ２２に流入させる。そして排気ガスはパティキュレートフィルタ２２の第二の端部から流出し、第二の排気枝管８１ｂを介して排気流切換え管８０の下流の排気管８２に流出する。
【００５１】
また切換弁８０ａは図９に示した第二の回動位置に位置決めされたときには排気流切換え管８０の上流の排気ガスを図９の矢印で示したように第二の排気枝管８１ｂを介してパティキュレートフィルタ２２の第二の端部からパティキュレートフィルタ２２に流入させる。そして排気ガスはパティキュレートフィルタ２２の第一の端部から流出し、第一の排気枝管８１ａを介して排気流切換え管８０の下流の排気管８２に流出する。
【００５２】
また切換弁８０ａは図１０に示した第一の回動位置と第二の回動位置との丁度中間に位置する中立位置に位置決めされたときには排気流切換え管８０の上流の排気ガスを図１０の矢印で示したようにパティキュレートフィルタ２２に流入させることなく直接排気流切換え管８０の下流の排気管８０に流入させる。この中立位置においてはパティキュレートフィルタ２２の第一の端部側の排気ガス圧力と第二の端部側の排気ガス圧力とが略等しいので排気ガスはパティキュレートフィルタ２２には殆ど流入しない。斯くして排気ガスはパティキュレートフィルタ２２をバイパスし、パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量が略零とされる。
【００５３】
なおパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量を少なくすべきときにパティキュレートフィルタ２２において堆積微粒子を一気にではなく徐々に燃焼させるために図９および図１０に示したバイパス機構を用いてパティキュレートフィルタ２２に僅かに排気ガスを流入させ、酸素を供給するようにしてもよい。この場合には切換弁８０の回動位置を上記中間位置よりも僅かに第一の回動位置、或いは第二の回動位置のいずれかに近い位置に位置決めする。こうすればパティキュレートフィルタ２２の第一の端部側の排気ガス圧力と第二の端部側の排気ガス圧力との間に小さな差圧が発生するので排気ガスが僅かではあるがパティキュレートフィルタ２２に流入することになる。
【００５４】
二つ目の考え方に従って堆積微粒子の燃焼熱を迅速にパティキュレートフィルタ２２から放熱させるためにはパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量を多くすればよい。パティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量が多ければ堆積微粒子の燃焼熱は排気ガスによりパティキュレートフィルタ２２から放熱せしめられる。これによればパティキュレートフィルタ２２の温度はパティキュレートフィルタ２２の熱劣化が生じるほどには高くならない。なおパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量を多くするには例えば機関回転数を増大して燃焼室５に流入する空気の量を多くすればよい。斯くしてパティキュレートフィルタの熱劣化を防止することができる。
【００５５】
上述したパティキュレートフィルタ熱劣化防止制御を含む堆積微粒子酸化除去処理を実行するためのフローチャートを図１１に示した。図１１に示したフローチャートにおいては始めにステップ２００において堆積微粒子量Ａｐｍが予め定められた量ＡｐｍＴＨよりも多い（Ａｐｍ＞ＡｐｍＴＨ）か否かが判別される。堆積微粒子量Ａｐｍは実験等により機関回転数Ｎｅと機関要求負荷Ｌとの関数として単位時間当りの堆積微粒子量Ａｐｍｍｎのマップを予め求めておき、当該マップから求めた堆積微粒子量Ａｐｍｍｎを積算することにより算出される。ステップ２００においてＡｐｍ＞ＡｐｍＴＨであると判別されたとき、すなわち堆積微粒子を酸化除去すべきであると判別されたときにはステップ２０１に進んでパティキュレートフィルタ２２の温度を微粒子を酸化させることができる微粒子酸化可能温度まで上昇させるための昇温処理を実行する。ここでパティキュレートフィルタ２２の温度を上昇させるには後述する低温燃焼を内燃機関に実行させることにより、或いは機関排気通路に排気絞り弁を設け、この排気絞り弁の開度を小さくして機関要求負荷を高め、燃料噴射量を多くすることにより、或いは機関膨張行程において機関駆動用の燃料とは別個に少量の燃料を噴射し、この燃料を燃焼させることにより排気ガスの温度を上昇させればよい。一方、ステップ２００においてＡｐｍ≦ＡｐｍＴＨであると判別されたときには直接ステップ２０２に進む。
【００５６】
ステップ２０２においては図１２に示したフローチャートに従って熱劣化防止制御が実行される。図１２に示したフローチャートにおいては初めにステップ２０５においてパティキュレートフィルタ熱劣化防止制御を実行すべき条件（以下、熱劣化防止条件）が成立しているか否かが判別される。熱劣化防止条件が成立しているか否かは図１３に示したフローチャートに従って判定される。図１３に示したフローチャートにおいては初めにステップ３００においてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが予め定められた温度ＴＦＴＨよりも高い（ＴＦ＞ＴＦＴＨ）か否かが判別される。ここで予め定められた温度は例えば微粒子着火温度に設定される。ステップ３００においてＴＦ＞ＴＦＴＨであると判別されたときにはステップ３０１に進んで熱劣化防止条件が成立したと判定する。もちろんステップ３００においてＴＦ≦ＴＦＴＨであると判別されたときには熱劣化防止条件が成立したとは判定せずにルーチンを終了する。
【００５７】
図１２に戻ってステップ２０５において熱劣化防止条件が成立したと判別されたときにはステップ２０６に進んで熱劣化防止処理が実行される。ここで実行される制御は堆積微粒子の燃焼を阻止するのに十分に少ない排気ガス量を第一の閾値に設定し、パティキュレートフィルタ２２の熱劣化を防止するほどに堆積微粒子の燃焼熱を放熱させるのに十分に多い排気ガス量を第一の閾値よりも大きい第二の閾値に設定し、上述したように排気ガスにパティキュレートフィルタ２２をバイパスさせてパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量を第一の閾値よりも少なく（好ましくは略零）するか、或いは吸気量を減少させてパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガス量を第一の閾値よりも少なくするか、或いは機関回転数を増大させてパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガス量を第二の閾値よりも多くするかのいずれか一つである。この熱劣化防止処理は例えば予め定められた期間に亘って実行された後に解除され、通常の処理に戻る。ここで予め定められた期間は例えばパティキュレートフィルタ２２の温度が微粒子酸化可能温度近傍にまで低くなるのに十分な期間に設定される。
【００５８】
図１１に戻ってステップ２０３ではパティキュレートフィルタ２２に付着している硫黄成分Ｓの量Ａｓが予め定められた量ＡｓＴＨよりも多い（Ａｓ＞ＡｓＴＨ）か否かが判別される。パティキュレートフィルタ２２の表面には排気ガス中に含まれている硫黄成分Ｓが付着する。パティキュレートフィルタ上に過剰酸素が存在するとＮＯｘを取り込んでＮＯｘを保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持しているＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を担持しているとその硫黄成分による被毒によりＮＯｘ吸放出剤のＮＯｘ吸放出能力が低下する。したがって本フローチャートにおいてはステップ２０３において硫黄成分Ｓの付着量が比較的多いか否かを判別し、比較的多いときには付着した硫黄成分Ｓをパティキュレートフィルタ２２から除去する処理を実行する。なお上述したＮＯｘ吸放出剤としてはカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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、鉄Ｆｅのような遷移金属、およびスズＳｎのような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つから成り、白金Ｐｔなどの貴金属と組み合わせて用いられる。具体的にはステップ２０３においてＡｓ＞ＡｓＴＨであると判別されたときにはステップ２０４に進んで排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように内燃機関をリッチ運転させる。これによりパティキュレートフィルタ２２内の酸素濃度が低下し、これと共に排気ガス中の炭化水素が酸素と反応してパティキュレートフィルタ２２の温度が上昇せしめられるのでパティキュレートフィルタ２２に付着している硫黄成分Ｓがパティキュレートフィルタ２２から脱離する。この硫黄成分をパティキュレートフィルタ２２から脱離させるための硫黄脱離温度は微粒子酸化可能温度よりも高いのでステップ２０１においてパティキュレートフィルタ２２の温度を微粒子酸化可能温度にまで上昇した後に硫黄脱離温度まで上昇させることはエネルギ効率の面では好ましい。
【００５９】
さて上述した実施例においては昇温処理を実行する条件として堆積微粒子量が予め定められた量より多いことを条件としているがこれの代わりにパティキュレートフィルタ２２の上流側の排気ガス圧力に対するその下流側の排気ガス圧力の差（圧損）が予め定められた値よりも大きいことを条件としてもよい。熱劣化防止条件としてパティキュレートフィルタ２２の温度を採用しているが、このパティキュレートフィルタ２２の温度に加えて燃焼室内に流入する空気の量（以下、吸気量）やパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量（以下、排気ガス流入量）を採用することもできる。
【００６０】
図１４には熱劣化防止条件としてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦと排気ガス流入量Ｇｅｘとを採用した実施例を示した。図１４においては初めにステップ５００においてパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが予め定められた温度ＴＦＴＨよりも高い（ＴＦ＞ＴＦＴＨ）か否かが判別される。ステップ５００においてＴＦ＞ＴＦＴＨであると判別されたときにはステップ５０１に進んで排気ガス流入量Ｇｅｘが最小量ＧｅｘＭｉｍより多く且つ最大量ＧｅｘＭａｘより少ない（ＧｅｘＭｉｍ＜Ｇｅｘ＜ＧｅｘＭａｘ）か否かが判別される。ステップ５０１においてＧｅｘＭｉｍ＜Ｇｅｘ＜ＧｅｘＭａｘであると判別されたとき、すなわちパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦが微粒子着火温度よりも高く且つ排気ガス流入量が堆積微粒子の燃焼熱を迅速に放熱させるには少なく且つ酸素流入量が堆積微粒子の燃焼を促進するほど多いと判別されたときにはパティキュレートフィルタ２２の熱劣化を防止すべきと判断し、ステップ５０２において熱劣化防止条件が成立したと判定する。
【００６１】
最後に低温燃焼について説明する。ＥＧＲ率を増大していくと微粒子の発生量が次第に増大してピークに達し、さらにＥＧＲ率を高めていくと今度は微粒子の発生量が急激に低下することが知られている。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示した図１５を参照して説明する。図１５において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温度を略９０℃に維持した場合を示し、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、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的には冷却していない場合を示す。
【００６２】
図１５の曲線Ａで示したように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微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率を略５５パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。一方、図１５の曲線Ｂで示したように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微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率を略６５パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。また図１５の曲線Ｃで示したように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微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率を略７０パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。このようにＥＧＲ率を５５パーセント以上にすると微粒子が発生しなくなるのはＥＧＲガスの吸熱作用によって燃料燃焼時における燃料およびその周囲のガスの温度がさほど高くならず、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。
【００６３】
この低温燃焼は空燃比に係わらずに微粒子の発生を抑制しつつ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。すなわち空燃比が理論空燃比よりも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ので過剰な燃料は煤までは成長せず、斯くして微粒子が発生することがない。またこのときＮＯｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比が理論空燃比よりもリーン、或いは空燃比が理論空燃比とされたときに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ので微粒子は全く発生せず、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００６４】
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度は低くなるが排気ガスの温度は上昇する。このことについて図１６を参照して説明する。図１６（Ａ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示し、図１６（Ａ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示す。また図１６（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度Ｔｆとクランク角との関係を示し、図１６（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度Ｔｆとクランク角との関係を示す。
【００６５】
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、したがって図１６（Ａ）に示したように圧縮上死点前、すなわち圧縮行程中は実線で示した低温燃焼時における平均ガス温度Ｔｇのほうが破線で示した通常の燃焼時における平均ガス温度Ｔｇよりも高くなっている。なおこのとき図１６（Ｂ）に示したように燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは平均ガス温度Ｔｇと略等しい温度になっている。
【００６６】
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１６（Ｂ）の実線で示したように燃料およびその周囲のガス温度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１６（Ｂ）の破線で示したように燃料およびその周囲のガス温度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度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ほうが低くなっており、したがって図１６（Ａ）に示したように圧縮上死点付近における燃焼室５内の平均ガス温度Ｔｇは低温燃焼が行われている場合のほう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１６（Ａ）に示したように燃焼が完了した後の燃焼室内の平均ガス温度は低温燃焼が行われた場合のほう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の温度が高くなる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によればパティキュレートフィルタの温度が予め定められた温度よりも高くなったときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を第一の閾値よりも少なくするか、或いは第一の閾値よりも大きい第二の閾値よりも多くする。こうすることでパティキュレートフィルタの温度が高くなり、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子が燃焼し始める温度に達したとしてもパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を第一の閾値よりも少なくすることで微粒子の燃焼自体を十分に阻止することができ、或いはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を第二の閾値よりも多くすることで微粒子の燃焼熱を十分にパティキュレートフィルタから放熱させることができる。斯くして本発明によればパティキュレートフィルタの温度が非常に高温になることはなく、したがってパティキュレートフィルタの熱劣化を防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】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図３】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図４】微粒子の堆積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】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図７】切換弁が第一の回動位置に位置決めされたバイパス機構を示した平面図である。
【図８】図７に示したバイパス機構の側面図である。
【図９】切換弁が第二の回動位置に位置決めされたバイパス機構の平面図である。
【図１０】切換弁が中立位置に位置決めされたバイパス機構の平面図である。
【図１１】堆積微粒子を除去するためのフローチャートである。
【図１２】熱劣化防止制御を実行するためのフローチャートである。
【図１３】熱劣化防止条件を判定するためのフローチャートである。
【図１４】熱劣化防止条件を判定するための別のフローチャートである。
【図１５】ＥＧＲ率と微粒子発生量との関係を示した図である。
【図１６】（Ａ）はクランク角と燃焼室内の平均ガス温度との関係を示した図であり、（Ｂ）はクランク角と燃料周囲のガス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
２２…パティキュレートフィルタ
２５…ＥＧＲ制御弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a diesel engine, a particulate filter is disposed in an engine exhaust passage in order to remove the particulates contained in the exhaust gas, and the particulate filter once collects the particulates in the exhaust gas. The particulate filter collected is ignited and burned to regenerate the particulate filter. However, the particulate matter collected on the particulate filter does not ignite and burn unless the temperature becomes higher than about 600 ° C., whereas the exhaust gas temperature of a diesel engine is usually much lower than 600 ° C. Therefore, it is difficult to ignite and burn the fine particles collected on the particulate filter by the heat of the exhaust gas. Therefore, a technique for igniting and burning the collected fine particles even at a relatively low temperature is known (for example, see Japanese Patent Publication No. 7-106290). This known technique intends to continuously burn and remove the deposited fine particles by igniting and burning the fine particles from a low temperature.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, even when the fine particles in the exhaust gas are removed by the exhaust gas purifying method described in JP-B-7-106290, the fine particles may be deposited on the surface of the particulate filter. Here, when the temperature of the particulate filter rises to the ignition temperature of the particulates, the particulates deposited on the surface of the particulate filter ignite and burn at once, whereby the temperature of the particulate filter rapidly rises, and finally the particulate filter There is a possibility that the catalyst carried on the particulate filter is thermally degraded by the heat of combustion of the fine particles, or even if the fine particles are not melted.
[0004]
In view of these problems, an object of the present invention is to prevent the particulate filter from being thermally degraded due to the heat of combustion of the fine particles deposited on the surface of the particulate filter.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention,Exhaust gas purification method in which particulates in exhaust gas are oxidized and removed on a particulate filterAndWhen the temperature of the particulate filter becomes higher than a predetermined temperature, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made smaller than the first threshold value, or the amount of the exhaust gas is larger than the first threshold value. The inflow exhaust gas amount change processing to make it larger than the threshold ofWhen the amount of the exhaust gas flowing into the particulate filter is set to be smaller than the first threshold value, the amount of the exhaust gas flowing into the particulate filter is made substantially zero by making the exhaust gas bypass the particulate filter. In the exhaust gas purification method in which the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is made smaller than the first threshold value, the first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are separated from the engine exhaust passage. The first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are connected to each other on the downstream side of a branch point where the first exhaust branch pipe and the second exhaust branch pipe are branched to form a loop-shaped exhaust passage. And the exhaust gas flows into the particulate filter through either the first exhaust branch pipe or the second exhaust branch pipe. A rotatable switching valve is disposed at the branch point in order to switch whether the exhaust gas is to be turned on or off. When the switching valve is in the first rotation position, the exhaust gas upstream of the branch point is passed through the first exhaust branch pipe. And then flows out of the particulate filter through the second exhaust branch pipe to the engine exhaust passage downstream of the branch point. The gas flows into the particulate filter through the second exhaust branch pipe, flows out of the particulate filter into the engine exhaust passage downstream of the branch point through the first exhaust branch pipe, and the first rotation position and the second rotation position. When the neutral position between the turning position is set, the exhaust gas upstream of the branch point is directly flown into the engine exhaust passage downstream of the branch point, and the switching valve is set to the neutral position to bypass the particulate filter with the exhaust gas. Exhaust gas purification method so as to scan is provided.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments. 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 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port. The
[0013]
The
[0014]
The
[0015]
FIG. 2 shows the structure of the
[0016]
In FIG. 2A, a hatched portion indicates a
[0017]
The
In the embodiment of the present invention, the entire peripheral wall surface of each exhaust
[0018]
In the embodiment of the present invention, platinum Pt is used as a noble metal catalyst, and alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, strontium Sr are used as active oxygen releasing agents. At least one selected from the group consisting of alkaline earth metals such as, lanthanum La, yttrium Y, rare earths such as cerium Ce, transition metals such as iron Fe, and carbon group elements such as tin Sn is used.
[0019]
As the active oxygen releasing agent, it is preferable to use an alkali metal or an alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr.
Next, the action of removing particulates in exhaust gas by the
[0020]
In a compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1, combustion takes place under excess air, and thus the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, if the ratio of air and fuel supplied into the intake passage and the
[0021]
FIGS. 3A and 3B 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
[0022]
On the other hand, as described above, SO2 is contained in the exhaust gas.2Is also included in this SO2Is also absorbed into the active
[0023]
On the other hand, fine particles mainly composed of carbon C are generated in the
[0024]
When the
[0025]
At this time, potassium sulfate K formed in the active
The active
[0026]
By the way, oxygen O toward the contact surface between the
[0027]
When the particulates accumulated in a layer on the
[0028]
On the other hand, in the present invention, the
[0029]
Incidentally, the platinum Pt and the active
[0030]
The solid line in FIG. 5 indicates the amount G of oxidizable and removable fine particles that can be oxidized and removed without emitting a bright flame per unit time. In FIG. 5, the horizontal axis represents the temperature TF of the
[0031]
On the other hand, when the amount M of discharged fine particles is larger than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, that is, in the region II of FIG. 5, the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles. FIGS. 4A to 4C show how the fine particles are oxidized in such a case.
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles, only a part of the
[0032]
When the surface of the carrier layer is covered with the residual
[0033]
As described above, in the region I of FIG. 5, the fine particles are oxidized within a short time without emitting a bright flame on the
[0034]
As can be seen from FIG. 5, the
[0035]
If the amount M of discharged fine particles is always smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, the fine particles hardly accumulate on the
On the other hand, as described above, once the fine particles are deposited on the
[0036]
In particular, immediately after the engine is started, the temperature TF of the
On the other hand, even if the amount M of discharged particulates and the temperature TF of the
[0037]
That is, if the state in which the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean continues for a certain period of time, a large amount of oxygen will adhere to platinum Pt, and the catalytic action of platinum Pt will decrease. However, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich to lower the oxygen concentration in the exhaust gas, oxygen is removed from the platinum Pt, and thus the catalytic action of the platinum Pt is restored. Thus, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, the active oxygen O is easily released from the active
[0038]
As a method for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas, for example, when the engine load is relatively low, the
[0039]
FIG. 6 shows an example of the operation control routine of the internal combustion engine described above.
Referring to FIG. 6, first, in
[0040]
On the other hand, when it is determined in
[0041]
Incidentally, the fuel and the lubricating oil contain calcium Ca, and therefore, the calcium Ca is contained in the exhaust gas. This calcium Ca is SO3In the presence of calcium sulfate CaSO4Generate This calcium sulfate CaSO4Is a solid and does not thermally decompose at high temperatures. Therefore, calcium sulfate CaSO4Is produced, this calcium sulfate CaSO4As a result, the pores of the
[0042]
In this case, when an alkali metal or an alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, such as potassium K, is used as the active
[0043]
The present invention can also be applied to a case where only a noble metal such as platinum Pt is carried on a carrier layer formed on both side surfaces of the
[0044]
NO as an active oxygen releasing agent2Or SO3Is adsorbed and held, and these adsorbed NO2Or SO3It is also possible to use a catalyst capable of releasing active oxygen from the catalyst.
By the way, even if the
[0045]
Meanwhile, if the amount of the deposited fine particles is relatively large, there is a possibility that the deposited fine particles emit a flame and start burning at once while the deposited fine particles are forcibly oxidized or gradually burned. In this case, the temperature of the
[0046]
In the present invention, there are mainly two specific ideas for preventing thermal deterioration of the particulate filter. One is that the combustion of the deposited particulates is stopped when the temperature of the
[0047]
Oxygen is required for the deposited particulates to burn in the
[0048]
The bypass mechanism shown in FIGS. 7 to 9 will be briefly described. The
[0049]
A switching
[0050]
That is, when the switching
[0051]
When the switching
[0052]
When the switching
[0053]
When the amount of exhaust gas flowing into the
[0054]
According to the second concept, the amount of exhaust gas flowing into the
[0055]
FIG. 11 shows a flowchart for executing the deposited particulate oxidation removal processing including the particulate filter thermal deterioration prevention control described above. In the flowchart shown in FIG. 11, first, in
[0056]
In
[0057]
Returning to FIG. 12, when it is determined in
[0058]
Returning to FIG. 11, in
[0059]
In the above-described embodiment, the condition for executing the temperature raising process is that the amount of the deposited particulates is larger than a predetermined amount. However, instead of this, the downstream of the
[0060]
FIG. 14 shows an embodiment in which the temperature TF of the
[0061]
Finally, low-temperature combustion will be described. It is known that when the EGR rate is increased, the amount of generated fine particles gradually increases and reaches a peak, and when the EGR rate is further increased, the generated amount of fine particles rapidly decreases. This will be described with reference to FIG. 15 showing the relationship between the EGR rate and the smoke when the degree of cooling of the EGR gas is changed. In FIG. 15, a curve A shows a case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at approximately 90 ° C., a curve B shows a case where the EGR gas is cooled by a small cooling device, and a curve C shows a case where the EGR gas is cooled. Shows a case where cooling is not forcibly performed.
[0062]
As shown by the curve A in FIG. 15, when the EGR gas is intensely cooled, the generation amount of fine particles reaches a peak when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. In this case, almost no fine particles are generated. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 15, when the EGR gas is slightly cooled, the generation amount of the fine particles reaches a peak when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 65% or more. In this case, almost no fine particles are generated. As shown by the curve C in FIG. 15, when the EGR gas is not forcibly cooled, the generation amount of fine particles reaches a peak near the EGR rate of 55%, and in this case, the EGR rate is reduced to about 70%. By doing so, almost no fine particles are generated. As described above, when the EGR rate is set to 55% or more, the generation of the fine particles is stopped because the temperature of the fuel and the surrounding gas during the fuel combustion does not become so high due to the endothermic effect of the EGR gas, and the low temperature combustion is performed. This is because hydrocarbons do not grow to soot.
[0063]
This low-temperature combustion suppresses the generation of fine particles regardless of the air-fuel ratio while reducing NO.xHas the characteristic that the amount of generation of can be reduced. That is, when the air-fuel ratio is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so that the excess fuel does not grow to soot, thus generating fine particles. There is no. Also at this time NOxOnly a very small amount is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, or when the air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated if the combustion temperature increases, but the combustion temperature decreases to a lower temperature under low-temperature combustion. No fine particles are generated at all, and NOxOnly a very small amount is generated.
[0064]
On the other hand, when this low-temperature combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lowered, but the temperature of the exhaust gas is raised. This will be described with reference to FIG. The solid line in FIG. 16A shows the relationship between the average gas temperature Tg in the
[0065]
When the low-temperature combustion is being performed, the amount of EGR gas is larger than when the normal combustion is being performed. Therefore, as shown in FIG. The average gas temperature Tg at the time of the low-temperature combustion shown is higher than the average gas temperature Tg at the time of the normal combustion shown by the broken line. At this time, as shown in FIG. 16 (B), the fuel and the surrounding gas temperature Tf are substantially equal to the average gas temperature Tg.
[0066]
Next, combustion starts near the compression top dead center. In this case, when low-temperature combustion is being performed, the temperature of the fuel and its surrounding gas Tf does not increase so much as shown by the solid line in FIG. On the other hand, when normal combustion is performed, a large amount of oxygen exists around the fuel, so that the temperature of the fuel and its surrounding gas Tf becomes extremely high as shown by the broken line in FIG. 16B. . Thus, when normal combustion is performed, the temperature of the fuel and its surrounding gas Tf becomes considerably higher than in the case where low-temperature combustion is performed, but the temperature of most of the other gases is low-temperature combustion. When the normal combustion is performed, the average gas temperature in the
[0067]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the temperature of the particulate filter becomes higher than a predetermined temperature, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is set to be smaller than the first threshold, or is set to be smaller than the first threshold. More than a large second threshold. By doing so, the temperature of the particulate filter increases, and even if the temperature reaches a temperature at which the particulates deposited on the particulate filter start to burn, the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter is reduced to less than the first threshold value. By doing so, the combustion itself of the particulates can be sufficiently prevented, or by setting the amount of exhaust gas flowing into the particulate filter to be larger than the second threshold, the heat of combustion of the particulates can be sufficiently radiated from the particulate filter. Can be done. Thus, according to the present invention, the temperature of the particulate filter does not become extremely high, and therefore, the thermal deterioration of the particulate filter can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing a particulate filter.
FIG. 3 is a diagram for explaining the oxidizing action of fine particles.
FIG. 4 is a diagram for explaining a deposition action of fine particles.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of a particulate filter.
FIG. 6 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 7 is a plan view showing a bypass mechanism in which a switching valve is positioned at a first rotation position.
FIG. 8 is a side view of the bypass mechanism shown in FIG. 7;
FIG. 9 is a plan view of the bypass mechanism in which the switching valve is positioned at a second rotation position.
FIG. 10 is a plan view of the bypass mechanism with the switching valve positioned at a neutral position.
FIG. 11 is a flowchart for removing deposited fine particles.
FIG. 12 is a flowchart for executing thermal deterioration prevention control.
FIG. 13 is a flowchart for determining a thermal deterioration prevention condition.
FIG. 14 is another flowchart for determining a thermal deterioration prevention condition.
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the EGR rate and the amount of generated fine particles.
FIG. 16A is a diagram showing a relationship between a crank angle and an average gas temperature in a combustion chamber, and FIG. 16B is a diagram showing a relationship between a crank angle and a gas temperature around fuel.
[Explanation of symbols]
5. Combustion chamber
6 ... Fuel injection valve
22 ... Particulate filter
25 ... EGR control valve
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