JP3578102B2 - 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とき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とき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とき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とき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。その結果、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、活性酸素の放出能力が低下したときに排気ガスを高温かつリッチに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℃よりも低いときには排気ガス中の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ＮＯｘ吸収剤が公知である。このＮＯｘ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ＮＯｘ吸収剤を用いると排気ガス温が３５０℃よりも高くなったときにＮＯｘ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ときにはもはや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、ＮＯｘ吸収剤を用いた場合にもＮＯｘ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ＮＯｘ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ＮＯｘ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ＮＯｘ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ときにはこれら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とき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、活性酸素の放出能力が低下したときに、活性酸素放出能力を回復させ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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、リーン運転時において燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした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、パティキュレートフィルタに担持されている酸素吸蔵・活性酸素放出剤により、周囲に過剰酸素が存在するとき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とき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。更に請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、リーン運転時において燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたときに活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスが高温かつリッチにされる。燃料内には酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を低下させる硫黄成分が含有されている。従って、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを正確に判断することができる。そして、排気ガスを高温かつリッチにすることによって、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００１８】
請求項２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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
請求項２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担持されている酸素吸蔵・活性酸素放出剤により、周囲に過剰酸素が存在するとき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とき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。更に請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置では、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたときに活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスが高温かつリッチにされる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を低下させる硫黄含有量は燃料に応じて異なるため、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断する場合よりも正確に酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを判断することができる。そして、排気ガスを高温かつリッチにすることによって、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、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およ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、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燃焼を、前記燃焼室内における平均空燃比がリッチになるように燃料噴射量を制御して行うことによって排気ガスを高温かつリッチにし、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させる請求項１または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３に記載の内燃機関の排気浄化装置では、煤の発生量がピークとなる不活性ガスの量よりも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燃焼を、前記燃焼室内における平均空燃比がリッチになるように燃料噴射量を制御して行うことによって排気ガスが高温かつリッチにされ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が回復せしめられる。その結果、排気ガスを高温かつリッチにしたために煤の発生量がピーク付近の発生量になってしまうのを回避しつつ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００２３】
請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置では、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあるとき、パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される。その結果、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができないために排気ガスが低温又はリーンになってしまい、その低温又はリーンの排気ガスがパティキュレートフィルタに流されるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の酸素吸蔵能力が回復されることなく更に低下してしまうのを阻止することができる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤の酸素吸蔵能力が低下する原因には、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の硫黄被毒が含まれる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、排気ガスを高温かつリッチにすることができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのを禁止するようにした請求項１または２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、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させるために排気ガスを高温かつリッチにすることができない内燃機関の運転条件下にあるときにパティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される。そのため、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させるために排気ガスを高温かつリッチにすることができないにもかかわらず、パティキュレートフィルタに排気ガスが流され酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力の回復が試みられるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が更に低下してしまうのを阻止することができる。
【００２６】
【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。
【００２７】
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は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９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２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【００２８】
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内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２６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２６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。
【００２９】
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、パティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取付けられ、この温度センサ３９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、及び燃料ポンプ２８に接続される。
【００３０】
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の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図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２２はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気ガス流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気ガス流出通路５１とにより構成される。なお、図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。
【００３１】
パティキュレートフィルタ２２は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００３６】
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わしている。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２２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。
【００３７】
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_２ ＳＯ_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_２ ＳＯ_４ が生成される。
【００３８】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図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。
【００３９】
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。
【００４０】
一方、このとき酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１に形成されている硫酸カリウムＫ_２ ＳＯ_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、周囲の温度が低いときには、酸素濃度が低下しても活性酸素を放出しづらい。
【００４１】
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はただ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。従って微粒子６２はパティキュレートフィルタ２２上に堆積することがない。尚、ＮＯｘ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 ⁻の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。微粒子６２はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、このようにパティキュレートフィルタ２２上に付着した微粒子６２は活性酸素Ｏによって酸化せしめられるがこれら微粒子６２は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【００４２】
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、従ってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００４３】
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。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。
【００４４】
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２２の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。また当然のことながら、微粒子自身の温度が高いほど酸化除去されやすくなる。従ってパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００４５】
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。尚、図５は単位時間を１秒とした場合の、即ち１秒当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りの酸化除去可能微粒子量Ｇは１０分当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Ｇは図５に示されるように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。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、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２２に接触するや否や短時間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。
【００４６】
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、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）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。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。
【００４７】
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微粒子６４はもはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、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。
【００４８】
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。従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。
【００４９】
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、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。従って本発明による第１の実施形態においては排出微粒子量Ｍ及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。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。従って機関出力はほとんど低下しない。また、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維持すると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しなくなる。その結果、パティキュレートフィルタ２２における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。
【００５０】
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はじめているときに、即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によって輝炎を発することなく酸化除去される。従って第２の実施形態では排出微粒子量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及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。
【００５１】
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、従ってこのときには排出微粒子量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第２の実施形態の方が現実に合っていると考えられる。一方、第１の実施形態又は第２の実施形態を実行しうるように排出微粒子量Ｍ及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又は全体の空燃比を一時的にリッチにすることによって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。
【００５２】
即ち、排気ガスの空燃比をリッチにすると、即ち排気ガス中の酸素濃度を低下させると酸素吸蔵・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が輝炎を発することなく一気に燃焼除去される。あるいは、排気ガスの空燃比をリッチにすると、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１から活性酸素Ｏが放出され、その結果、微粒子が酸化しやすいものに変質する。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、周期的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の開度及び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。
【００５３】
一方、空燃比がリーンに維持されていると白金Ｐｔの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ｐｔの酸素被毒が生ずる。このような酸素被毒が生ずるとＮＯｘに対する酸化作用が低下するためにＮＯｘの吸収効率が低下し、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換えられるとＮＯｘに対する酸化作用が強まるためにＮＯｘの吸収効率が高くなり、斯くして酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。従って空燃比がリーンに維持されているときに空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切換えるとその都度白金Ｐｔの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンであるときの活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ２２上における微粒子の酸化作用を促進することができる。
【００５４】
また、セリウムＣｅは空燃比がリーンのときには酸素を取り込み（Ｃｅ_２Ｏ_３→２ＣｅＯ_２）、空燃比がリッチになると活性酸素を放出する（２ＣｅＯ_２→Ｃｅ_２Ｏ_３）機能を有する。従って酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅを用いると空燃比がリーンのときにはパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が付着すると酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１から放出された活性酸素によって微粒子が酸化され、空燃比がリッチになると酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１から多量の活性酸素が放出されるために微粒子が酸化される。従って酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅを用いた場合にも空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切換えるとパティキュレートフィルタ２２上における微粒子の酸化反応を促進することができる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１としてセリウムＣｅ以外に錫等を用いることも可能である。
【００５５】
図６に機関の運転制御ルーチンの一例を示す。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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。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_２ ＳＯ_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。従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。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。
【００５８】
図７は第一及び第二の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復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、このルーチンが開始されると、まずステップ２００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ２０１に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ２０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく内燃機関の運転条件が変更される。
【００５９】
上述した第一及び第二の実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２２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ときに酸素が取り込まれて保持され（図３（Ａ）参照）、周囲の酸素濃度が低下したときにその保持された酸素が活性酸素の形で放出される（図３（Ｂ）参照）。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６２がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する前（図４の残留微粒子部分６３になる前）に、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１が放出する活性酸素Ｏにより、輝炎を発することなくその微粒子６２を酸化除去することができる。
【００６０】
更に上述した第一及び第二の実施形態によれば、ステップ２００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したと判断されたとき、ステップ２０１において排気ガスが高温かつリッチにされる。その結果、微粒子６２を酸化除去する活性酸素Ｏを放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【００６１】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第三の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図６を参照して説明した第一及び第二の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図８は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法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３００において、ＲＡＭ３３から読み込まれた内燃機関のリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが所定の閾値Ｆ１を越えたか否かが判断される。ＹＥＳのときには、リーン運転の下で酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１により酸素が吸蔵され続けてきたものの活性酸素が放出される機会が不足したために酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下してしまったと判断し、ステップ２０１に進む。一方、ＮＯのときには、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１により活性酸素が放出される機会があったため酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力は低下していないと判断し、このルーチンを終了する。ステップ２０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく内燃機関の運転条件が変更される。
【００６２】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ３００においてリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが閾値Ｆ１を越えたと判断されたとき、ステップ２０１において排気ガスが高温かつリッチにされる。燃料内には酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を低下させる硫黄成分が含有されており、この硫黄成分は活性酸素が放出される機会が不足していると十分に分解されない。従って、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが閾値Ｆ１を越えたか否かを判断することにより、つまり、硫黄成分を分解するために活性酸素が放出される機会が十分にあったか否かを判断することにより、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かを正確に判断することができる。
【００６３】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第四の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図６を参照して説明した第一及び第二の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図９は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図９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、内燃機関のリーン運転時における硫黄排出量ＳＡが所定の閾値ＴＳＡを越えたか否かが判断される。ＹＥＳのときには、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１がＳ被毒し活性酸素放出能力が低下してしまったと判断し、ステップ２０１に進む。一方、ＮＯのときには、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１はＳ被毒しておらず活性酸素放出能力が低下していないと判断し、このルーチンを終了する。ステップ２０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく内燃機関の運転条件が変更される。
【００６４】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ４００においてリーン運転時における硫黄排出量ＳＡが閾値ＴＳＡを越えたと判断されたとき、ステップ２０１において排気ガスが高温かつリッチにされる。酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を低下させる硫黄含有量は燃料に応じて異なるため、ステップ４００においてリーン運転時における硫黄排出量ＳＡが閾値ＴＳＡを越えたか否かを判断することにより、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値Ｆが閾値Ｆ１を越えたか否かを判断する第三の実施形態の場合よりも正確に酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かを判断することができる。
【００６５】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第五の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図６を参照して説明した第一及び第二の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図１０は機関低負荷運転時にスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図１０の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図１０からわかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。図１０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程度になったとき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。このとき機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００６６】
図１１（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ときの燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図１１（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ときの燃焼室５内の燃焼圧の変化を示している。図１１（Ａ）と図１１（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１１（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図１１（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００６７】
図１０および図１１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ときには図１０に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しないときには燃焼室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１１からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図１１（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこのとき燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００６８】
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１０に示されるようにＨＣおよびＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図１２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１２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１０に示される如くＨＣおよびＣＯの排出量が増大するがこのときのＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【００６９】
図１０および図１１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ときには煤の発生量がほぼ零になり、このとき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内における燃料およ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内における燃料およ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。
【００７０】
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ときの燃料およびその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないがこの或る温度はＮＯｘの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はＮＯｘの発生量から或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、ＮＯｘの発生量が低下する。このときＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下になったときに煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【００７１】
一旦、煤が生成されるとこの煤は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように酸化機能を有する触媒による後処理を考えると炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させるか、或いは煤の形で燃焼室５から排出させるかについては極めて大きな差がある。本発明において採用されている新たな燃焼システムは燃焼室５内において煤を生成させることなく炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出させ、この炭化水素を酸化機能を有する触媒により酸化せしめることを核としている。
【００７２】
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およ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、燃料およ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、このとき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。
【００７３】
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。
【００７４】
この場合、燃料およ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な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。
【００７５】
図１３は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図１３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１３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１３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１３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１３は機関負荷が比較的高いとき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。
【００７６】
図１４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およ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、およびこの混合ガス量中の空気の割合、およびこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図１４において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示している。
【００７７】
図１４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１４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１４においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料およ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１４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６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１４に示すような割合にすると燃料およ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、このときのＮＯｘ発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ 前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯｘの発生量は極めて少量となる。
【００７８】
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およ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１４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１４において要求負荷がＬｏ 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Ｌｏ 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Ｌｏ よりも大きい領域では燃料およ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。
【００７９】
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Ｌｏ 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、斯くして燃料およ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およ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Ｌｏ 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。
【００８０】
前述したように図１４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１４に示される空気量よりも少くしても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができ、また空気量を図１４に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ 前後又はそれ以下にすることができる。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、このときＮＯｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。このように、低温燃焼が行われているとき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、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００８１】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およ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中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中低負荷運転時には燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第１の燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関高負荷運転時には第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第１の燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量が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、第２の燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量が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い燃焼のことを言う。
【００８２】
図１５は第１の燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉ’と、第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の運転領域ＩＩ’とを示している。なお、図１５において縦軸Ｌはアクセルペダル５０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図１５においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉ’と第２の運転領域ＩＩ’との第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉ’と第２の運転領域ＩＩ’との第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉ’から第２の運転領域ＩＩ’への運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＩ’から第１の運転領域Ｉ’への運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’にあって低温燃焼が行われているときに要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第２の運転領域ＩＩ’に移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域Ｉ’に移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００８３】
このように第１の境界Ｘ（Ｎ）と第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも低負荷側の第２の境界Ｙ（Ｎ）との二つの境界を設けたのは次の二つの理由による。第１の理由は、第２の運転領域ＩＩ’の高負荷側では比較的燃焼温度が高く、このとき要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）より低くなったとしてもただちに低温燃焼を行えないからである。即ち、要求負荷Ｌがかなり低くなったとき、即ち第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったときでなければただちに低温燃焼が開始されないからである。第２の理由は第１の運転領域Ｉ’と第２の運転領域ＩＩ’間の運転領域の変化に対してヒステリシスを設けるためである。
【００８４】
ところで機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ’にあって低温燃焼が行われているときには煤はほとんど発生せず、その代り未燃炭化水素が煤の前駆体又はその前の状態の形でもって燃焼室５から排出される。このとき燃焼室５から排出された未燃炭化水素は酸化機能を有する触媒（図示せず）により良好に酸化せしめられる。この触媒としては酸化触媒、三元触媒、又はＮＯｘ吸収剤を用いることができる。ＮＯｘ吸収剤は燃焼室５内における平均空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘを放出する機能を有する。このＮＯｘ吸収剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。酸化触媒はもとより、三元触媒およびＮＯｘ吸収剤も酸化機能を有しており、従って上述した如く三元触媒およびＮＯｘ吸収剤を上述した触媒として用いることができる。
【００８５】
図１６は空燃比センサ（図示せず）の出力を示している。図１６に示されるように空燃比センサの出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサの出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。
【００８６】
次に図１７を参照しつつ第１の運転領域Ｉ’および第２の運転領域ＩＩ’における運転制御について概略的に説明する。図１７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、噴射時期および噴射量を示している。図１７に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉ’ではスロットル弁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１７に示される例では第１の運転領域Ｉ’ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【００８７】
言い換えると第１の運転領域Ｉ’ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５の開度が制御される。また、第１の運転領域Ｉ’では圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。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、このとき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。
【００８８】
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ’から第２の運転領域ＩＩ’に変わるとスロットル弁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。このとき図１７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１３）を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉ’から第２の運転領域ＩＩ’に変わるときに多量のスモークが発生することがない。第２の運転領域ＩＩ’では従来から行われている燃焼が行われる。この第２の運転領域ＩＩ’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、この運転領域ＩＩ’ではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域ＩＩ’では噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００８９】
図１８（Ａ）は第１の運転領域Ｉ’における目標空燃比Ａ／Ｆを示している。図１８（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であるときを示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１８（Ａ）に示されるように第１の運転領域Ｉ’では空燃比がリーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉ’では要求負荷Ｌが低くなるほど目標空燃比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１８（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。
【００９０】
なお、図１８（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図１８（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数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１８（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１９（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数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１８（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１９（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数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。
【００９１】
図２０（Ａ）は第２の燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比Ａ／Ｆを示している。なお、図２０（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２０（Ａ）に示される目標空燃比Ａ／Ｆは図２０（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数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２０（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２１（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数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２０（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２１（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数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。
【００９２】
また、第２の燃焼が行われているときには燃料噴射量Ｑは要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに基づいて算出される。この燃料噴射量Ｑは図２２に示されるように要求負荷Ｌおよび機関回転数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。
【００９３】
次に図２３を参照しつつ本実施形態の運転制御について説明する。図２３を参照すると、まず初めにステップ２１００において機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’であることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。フラグＩがセットされているとき、即ち機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’であるときにはステップ２１０１に進んで要求負荷Ｌが第１の境界Ｘ（Ｎ）よりも大きくなったか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときにはステップ２１０３に進んで低温燃焼が行われる。一方、ステップ２１０１においてＬ＞Ｘ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ２１０２に進んでフラグＩがリセットされ、次いでステップ２１０９に進んで第２の燃焼が行われる。
【００９４】
ステップ２１００において、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉ’であることを示すフラグＩがセットされていないと判別されたとき、即ち機関の運転状態が第２の運転領域ＩＩ’であるときには、ステップ２１０８に進んで要求負荷Ｌが第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなったか否かが判別される。Ｌ≧Ｙ（Ｎ）のときにはステップ２１１０に進み、リーン空燃比のもとで第２の燃焼が行われる。一方、ステップ２１０８においてＬ＜Ｙ（Ｎ）になったと判別されたときにはステップ２１０９に進んでフラグＩがセットされ、次いでステップ２１０３に進んで低温燃焼が行われる。
【００９５】
ステップ２１０３では図１９（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２１０４では図１９（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２１０５では質量流量検出器（図示せず）により検出された吸入空気の質量流量（以下、単に吸入空気量と称す）Ｇａが取込まれ、次いでステップ２１０６では図１８（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２１０７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。
【００９６】
上述したようにに低温燃焼が行われているときには要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化するとスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５の開度がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標開度ＳＴ，ＳＥに一致せしめられる。従って例えば要求負荷Ｌが増大せしめられるとただちに燃焼室５内の空気量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。一方、スロットル弁１７の開度又はＥＧＲ制御弁２５の開度が変化して吸入空気量が変化するとこの吸入空気量Ｇａの変化が質量流量検出器により検出され、この検出された吸入空気量Ｇａに基づいて燃料噴射量Ｑが制御される。即ち、吸入空気量Ｇａが実際に変化した後に燃料噴射量Ｑが変化せしめられることになる。
【００９７】
ステップ２１１０では図２２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２１１１では図２１（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２１１２では図２１（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２１１３では質量流量検出器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２１１４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２１１５では図２０（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２１１６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のときにはステップ２１１７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２１１９へ進む。これに対して（Ａ／Ｆ）_Ｒ ≦Ａ／Ｆのときにはステップ２１１８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２１１９に進む。ステップ２１１９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。
【００９８】
このように第２の燃焼が行われているときには要求負荷Ｌ又は機関回転数Ｎが変化すると燃料噴射量がただちに要求負荷Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた目標燃料噴射量Ｑに一致せしめられる。例えば要求負荷Ｌが増大せしめられるとただちに燃料噴射量が増大せしめられ、斯くして機関の発生トルクがただちに増大せしめられる。一方、燃料噴射量Ｑが増大せしめられて空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆからずれると空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆとなるようにスロットル弁２０の開度が制御される。即ち、燃料噴射量Ｑが変化した後に空燃比が変化せしめられることになる。
【００９９】
これまで述べた実施形態では低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Ｑはオープンループ制御され、第２の燃焼が行われているときに空燃比がスロットル弁２０の開度を変化させることによって制御される。しかしながら低温燃焼が行われているときに燃料噴射量Ｑを空燃比センサ２７の出力信号に基づいてフィードバック制御することもできるし、また第２の燃焼が行われているときに空燃比をＥＧＲ制御弁３１の開度を変化させることによって制御することもできる。
【０１００】
図２４は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図２４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において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ５００に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ５００では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく上述した低温燃焼、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燃焼（図１３参照）が実行される。
【０１０１】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、煤の発生量がピークとなる不活性ガスとしてのＥＧＲガスの量よりも燃焼室５内に供給される不活性ガスとしてのＥＧＲガスの量が多く煤がほとんど発生しない燃焼を行うことにより排気ガスが高温かつリッチにされ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が回復せしめられる。その結果、排気ガスを高温かつリッチにしたために煤の発生量がピーク付近の発生量になってしまうのを回避しつつ（図１３参照）、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１０２】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第六の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図２３を参照して説明した第一及び第二並びに第五の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。本実施形態では図１に示したパティキュレートフィルタ２２が使用される代わりに、図２５及び図２６に示すパティキュレートフィルタ２２２が使用される。図２５はパティキュレートフィルタ２２２の拡大図である。詳細には、図２５（Ａ）はパティキュレートフィルタの拡大平面図、図２５（Ｂ）はパティキュレートフィルタの拡大側面図である。図２５において、パティキュレートフィルタ２２２は排気ガスを順流方向にも逆流方向にも流すことができるように構成されている。２２３はパティキュレートフィルタ２２２を内蔵したケーシング、２７１は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２２を順流方向に通過するときにパティキュレートフィルタ２２２の上流側通路となる第一通路、２７２は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２２を逆流方向に通過するときにパティキュレートフィルタ２２２の上流側通路となる第二通路である。２７３は排気ガスの流れを順流方向と逆流方向とバイパス状態とで切り換えるための排気切換バルブである。
【０１０３】
図２６は排気切換バルブの切換位置と排気ガスの流れとの関係を示した図である。詳細には、図２６（Ａ）は排気切換バルブ２７３が順流位置にあるときの図、図１０（Ｂ）は排気切換バルブ２７３が逆流位置にあるときの図、図１０（Ｃ）は排気切換バルブ２７３がバイパス位置にあるときの図である。排気切換バルブ２７３が順流位置にあるとき、図１０（Ａ）に示すように、排気切換バルブ２７３を通過してケーシング２２３内に流入した排気ガスは、まず第一通路２７１を通過し、次いでパティキュレートフィルタ２２２を通過し、最後に第二通路２７２を通過し、再び排気切換バルブ２７３を通過して排気管に戻される。排気切換バルブ２７３が逆流位置にあるとき、図１０（Ｂ）に示すように、排気切換バルブ２７３を通過してケーシング２２３内に流入した排気ガスは、まず第二通路２７２を通過し、次いでパティキュレートフィルタ２２２を図１０（Ａ）に示した場合とは逆向きに通過し、最後に第一通路２７１を通過し、再び排気切換バルブ２７３を通過して排気管に戻される。排気切換バルブ２７３がバイパス位置にあるとき、図１０（Ｃ）に示すように、第一通路２７１内の圧力と第二通路２７２内の圧力とが等しくなるために、排気切換バルブ２７３に到達した排気ガスはケーシング２２３内に流入することなくそのまま排気切換バルブ２７３を通過する。
【０１０４】
図２７は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図２７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において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が低下したか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ６００に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了する。ステップ６００では、内燃機関の運転条件が低温燃焼を実行可能な運転条件であるか否か、つまり、内燃機関の運転条件が図１５に示した第１の運転領域Ｉ’内にあるか否かが判断される。ＹＥＳのときにはステップ５００に進み、ＮＯのときにはステップ６０１に進む。ステップ５００では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させるために、排気ガスを高温かつリッチにすべく上述した低温燃焼、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燃焼（図１３参照）が実行される。一方、ステップ６０１では、排気ガスがバイパスされる。つまり、図１０（Ｃ）に示すように排気切換バルブ２７３がバイパス位置に配置され、排気切換バルブ２７３に到達した排気ガスがケーシング２２３内に流入することなくそのまま排気切換バルブ２７３を通過せしめられる。
【０１０５】
本実施形態によっても上述した第一及び第二並びに第五の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ６００において煤がほとんど発生しない低温燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあると判断されたとき、ステップ６０１においてパティキュレートフィルタ２２２に排気ガスを流すのが禁止され、排気ガスがバイパスされる。その結果、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができないために排気ガスが低温又はリーンになってしまい、その低温又はリーンの排気ガスがパティキュレートフィルタ２２２に流されるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が回復されることなく更に低下してしまうのを阻止することができる。
【０１０６】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第七の実施形態について説明する。本実施形態の構成及び作用は、後述する点を除き図１〜図２６を参照して説明した第六の実施形態の構成及び作用とほぼ同様である。図２８は本実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。図２８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９００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができるか否かが判断される。例えば排気ガスを高温かつリッチにできるような内燃機関の運転条件下にあるときにはＹＥＳと判断され、ステップ９０１に進む。一方、ＮＯのときにはステップ６０１に進む。ステップ９０１では、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復すべく内燃機関の運転条件がそのまま維持されるか変更される。例えば、内燃機関の運転条件が図１５に示した第１の運転領域Ｉ’内にあるときであって低温燃焼が行われているときにはそのまま低温燃焼が継続され、排気ガスが高温かつリッチのまま維持される。一方、内燃機関の運転条件が図１５に示した第１の運転領域Ｉ’内にあるときであって低温燃焼が行われていないときには通常燃焼から低温燃焼に切り換えられ、排気ガスが高温かつリッチにされる。ステップ６０１では排気ガスがバイパスされる。つまり、図１０（Ｃ）に示すように排気切換バルブ２７３がバイパス位置に配置され、排気切換バルブ２７３に到達した排気ガスがケーシング２２３内に流入することなくそのまま排気切換バルブ２７３を通過せしめられる。
【０１０７】
本実施形態によっても上述した第一及び第二の実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。更に本実施形態によれば、ステップ９００において酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができない内燃機関の運転条件下にあると判断されたとき、ステップ６０１においてパティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止され、排気ガスがバイパスされる。そのため、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力を回復させることができないにもかかわらず、パティキュレートフィルタ２２２に排気ガスが流され酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力の回復が試みられるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力が更に低下してしまうのを阻止することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
請求項１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。
【０１０９】
また、請求項１に記載の発明によれば、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを正確に判断することができる。更に、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１１０】
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。また、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を低下させる硫黄含有量は燃料に応じて異なるため、リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたか否かを判断することにより、酸素を吸蔵すべきリーン運転時における燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたか否かを判断する場合よりも正確に酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が低下したか否かを判断することができる。更に、微粒子を酸化除去する活性酸素を放出するために必要な活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１１１】
請求項３に記載の発明によれば、排気ガスを高温かつリッチにしたために煤の発生量がピーク付近の発生量になってしまうのを回避しつつ、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させることができる。
【０１１２】
請求項４に記載の発明によれば、煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができないために排気ガスが低温又はリーンになってしまい、その低温又はリーンの排気ガスがパティキュレートフィルタに流されるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が回復されることなく更に低下してしまうのを阻止することができる。
【０１１３】
請求項５に記載の発明によれば、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させるために排気ガスを高温かつリッチにすることができないにもかかわらず、パティキュレートフィルタに排気ガスが流され酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力の回復が試みられるのに伴って、酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力が更に低下してしまうのを阻止することができる。
【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２２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】機関の運転制御ルーチンの一例を示した図である。
【図７】第一及び第二の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図８】第三の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図９】第四の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図１０】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図である。
【図１１】燃焼圧を示す図である。
【図１２】燃料分子を示す図である。
【図１３】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図１４】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図１５】第１の運転領域Ｉ’および第２の運転領域ＩＩ’を示す図である。
【図１６】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１７】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１８】第１の運転領域Ｉ’における空燃比等を示す図である。
【図１９】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図２０】第２の燃焼における空燃比等を示す図である。
【図２１】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図２２】燃料噴射量のマップを示す図である。
【図２３】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図２４】第五の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図２５】パティキュレートフィルタの拡大図である。
【図２６】排気切換バルブの切換位置と排気ガスの流れとの関係を示した図である。
【図２７】第六の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【図２８】第七の実施形態の酸素吸蔵・活性酸素放出剤６１の活性酸素放出能力回復制御方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２０…排気管
２２…パティキュレートフィルタ
２５…ＥＧＲ制御弁

Claims (5)

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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、
   リーン運転時において燃料消費量積算値が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 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酸素吸蔵・活性酸素放出剤を担持しており、
   リーン運転時において硫黄排出量が予め定められた値を越えたときには活性酸素の放出能力が低下したと判断して排気ガスを高温かつリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置。
3. 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およ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、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燃焼を、前記燃焼室内における平均空燃比がリッチになるように燃料噴射量を制御して行うことによって排気ガスを高温かつリッチにし、前記酸素吸蔵・活性酸素放出剤の活性酸素放出能力を回復させる請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記煤がほとんど発生しない燃焼を行うことができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのが禁止される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 排気ガスを高温かつリッチにすることができない内燃機関の運転条件下にあるとき、前記パティキュレートフィルタに排気ガスを流すのを禁止するようにした請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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