JP4581287B2

JP4581287B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP4581287B2
Application number: JP2001128288A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤; 俊明田中; 信也広田; 孝充浅沼; 光壱木村; 好一郎中谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: JP2002013413A

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】
内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガス中には有害なＮＯ_Xが含まれており、このＮＯ_Xを浄化するために、機関排気系にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を配置することが提案されている。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、近傍雰囲気の酸素濃度が高い時にＮＯ_Xを硝酸塩の形で吸収し、近傍雰囲気の酸素濃度が低くなると吸収したＮＯ_Xを放出するものである。それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼルエンジンの排気ガス中からＮＯ_Xを良好に吸収し、定期的に近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＮＯ_Xを放出させてＨＣ等の還元物質により還元浄化し、ＮＯ_Xを大気中に放出させることなく良好に浄化することができる。
【０００３】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してＳＯ_Xが生成される。ＳＯ_Xは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へＮＯ_Xと同様なメカニズムにより硫酸塩の形で吸収される。硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としてもＮＯ_X吸蔵還元触媒装置から放出され難く、吸蔵量が徐々に増加する。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置への硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置における硫酸塩の吸蔵量が増加すれば（以下、ＳＯ_X被毒と称する）、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くＮＯ_Xを吸収することができなくなる。
【０００４】
従って、ＳＯ_X被毒されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は回復させなければならない。硫酸塩は安定な物質であるが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が６００°Ｃ程度の高温とされれば、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＳＯ_Xとして放出させることができる。それにより、一般的には、ＳＯ_X被毒回復のために、酸素濃度が高い近傍雰囲気へ還元物質を供給し、この還元物質を燃焼させることにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度を６００°Ｃ程度に昇温させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうして供給される還元物質は、主にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気入口部で燃焼してこの排気入口部を一旦は良好に昇温させる。しかしながら、この熱の多くは直ぐに排気ガス流と共に排気出口部へ移動するために、排気出口部は比較的良好に昇温させられても、排気入口部は温度低下して僅かに昇温するだけである。こうして、ＳＯ_X被毒回復のためにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体を６００°Ｃ以上に昇温するには、比較的長い時間を必要とする。
【０００６】
従って、本発明の目的は、ＳＯ_X被毒回復のためのＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体の昇温を短時間で実現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である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されて近傍雰囲気がリーン空燃比の時にＮＯ_Xを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元触媒装置と、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段と、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ排気上流側から還元物質を供給するための供給手段とを具備し、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置のＳＯ_X被毒回復のために、前記ＮＯ _X 吸蔵還元触媒全体を第一設定温度へ昇温させる際に、前記供給手段によって前記ＮＯ _X 吸蔵還元触媒装置において燃焼させる還元物質を供給すると共に前記逆転手段によって前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度が前記第一設定温度以上となった時又は前記第一設定温度以上となったと予測される時には、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の近傍雰囲気が理論空燃比又はリッチ空燃比となるように前記供給装置によって還元物質を供給し、前記逆転手段による前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側との逆転を繰り返し、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度が前記ＮＯ _X 吸蔵還元触媒装置に担持された酸化触媒がシンタリングを起こす第二設定温度以上となった時又は前記第二設定温度以上となったと予測される時には、前記逆転手段による前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側との逆転を中止することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は排気ガス中のパティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁によって捕集されたパティキュレートは酸化させられ、前記捕集壁は第一捕集面と第二捕集面とを有し、前記逆転手段によって前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とが逆転されることにより、パティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記捕集壁には活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、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に形で放出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとＮＯ_Xを酸素と結合させてＮＯ_Xを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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による排気浄化装置を備える４ストロークディーゼルエンジンの概略縦断面図を示しており、図２は図１のディーゼルエンジンにおける燃焼室の拡大縦断面図であり、図３は図１のディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図である。図１から図３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、５ａはピストン４の頂面上に形成されたキャビティ、５はキャビティ５ａ内に形成された燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は一対の吸気弁、８は吸気ポート、９は一対の排気弁、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を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７へ接続される。
【００１４】
図１に示されるように排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２回りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１５】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００１６】
３０は電子制御ユニットであり、空燃比センサ２１の出力信号と、燃料圧センサ２８の出力信号とが入力される。また、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、電子制御ユニット３０には、負荷センサ４１の出力信号も入力され、さらに、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の出力信号も入力される。こうして、電子制御ユニット３０は、各種信号に基づき、燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３、燃料ポンプ２７、及び、切換部７１内の切換弁７１ａを作動する。この切換弁７１ａに関しては後述する。
【００１７】
図２及び図３に示されるように本発明による実施例では燃料噴射弁６が６個のノズル口を有するホールノズルからなり、燃料噴射弁６のノズル口からは水平面に対しやや下向きに等角度間隔でもって燃料Ｆが噴射される。図３に示されるように６個の燃料噴霧Ｆのうちで２個の燃料噴霧Ｆは各排気弁９の弁体の下側面に沿って飛散する。図２及び図３は圧縮行程末期に燃料噴射が行われた時を示している。この時には燃料噴霧Ｆはキャビティ５ａの内周面に向けて進み、次いで着火燃焼せしめられる。
【００１８】
図４は排気行程中において排気弁９のリフト量が最大の時に燃料噴射弁６から追加の燃料が噴射された場合を示している。即ち、図５に示されるように圧縮上死点付近において主噴射Ｑｍが行われ、次いで排気行程の中ほどで追加の燃料Ｑａが噴射された場合を示している。この場合、排気弁９の弁体方向に進む燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面と排気ポート１０との間に向かう。即ち、云い換えると燃料噴射弁６の６個のノズル口のうちで２個のノズル口は、排気弁９が開弁している時に追加の燃料Ｑａの噴射が行われると燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面と排気ポート１０との間に向かうように形成されている。なお、図４に示す実施例ではこの時に燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面に衝突し、排気弁９の傘部背面に衝突した燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面上において反射し、排気ポート１０内に向かう。
【００１９】
なお通常は追加の燃料Ｑａは噴射されず、主噴射Ｑｍのみが行われる。図６は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図６の横軸）を変化させたとき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６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。
【００２０】
図６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、この時にＨＣ及びＣＯの発生量は増大し始める。
【００２１】
図７（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７（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７（Ａ）と図７（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７（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図７（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２２】
図６及び図７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６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７からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図７（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこの時に燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００２３】
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６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８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８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６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。
【００２４】
図６及び図７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下になると煤が生成されることが判明したのである。
【００２５】
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。この時において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。
【００２６】
一旦、煤が生成されるとこの煤は単に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、ＮＯ_Xの発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させることは排気ガスの浄化に極めて有効である。
【００２７】
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回りにおける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。
【００２８】
即ち、燃料回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、燃料回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。
【００２９】
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回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。
【００３０】
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は強力となり、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、ＣＯ₂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。
【００３１】
図９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９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°Ｃ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。
【００３２】
図９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９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。
【００３３】
また、図９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９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。
【００３４】
図１０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、及び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１０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おり、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００３５】
図１０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１０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１０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１０に示す実施例では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１０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１０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。
【００３６】
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１０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。
【００３７】
一方、図１０の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガス及び吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００３８】
前述したように図１０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図１０に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空気量よりも少なくても、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、また図１０に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図１０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。
【００３９】
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とき、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。
【００４０】
このように、機関低負荷運転領域Ｚ１で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。
【００４１】
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少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。従って本発明による実施例では機関負荷が比較的低い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第一燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関負荷が比較的高いときには第二燃焼、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、ここで第一燃焼、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最大となる最悪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、第二燃焼、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最大となる最悪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。
【００４２】
図１１は第一燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、第二燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の燃焼領域IIとを示している。なお、図１１において縦軸Ｌはアクセルペダル４０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１１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。
【００４３】
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時に要求負荷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。
【００４４】
図１２は空燃比センサ２１の出力を示している。図１２に示されるように空燃比センサ２１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２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。次に図１３を参照しつつ第１の運転領域Ｉ及び第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。
【００４５】
図１３は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期及び噴射量を示している。図１３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１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３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１３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。
【００４６】
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１６の開度及びＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、この時の空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。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。
【００４７】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、この時にはＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６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、アイドリング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１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００４８】
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１６の開度が半開状態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１３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９）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。
【００４９】
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。この燃焼方法では煤及びＮＯ_Xが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って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に変わると図１３に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。
【００５０】
第２の運転領域IIではスロットル弁１６は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。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。
【００５１】
図１４は第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１４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１４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が低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５２】
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１４に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。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実施例では要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５３】
なお、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１５（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１４に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１５（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。
【００５４】
図１６は第二燃焼、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を示している。なお、図１６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。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１７（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、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１７（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。
【００５５】
こうして、本実施例のディーゼルエンジンでは、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、第一燃焼、すなわち、低温燃焼と、第二燃焼、すなわち、普通の燃焼とが切り換えられ、各燃焼において、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、図１５又は図１７に示すマップによってスロットル弁１６及びＥＧＲ弁の開度制御が実施される。
【００５６】
図１８は本実施例の排気浄化装置を示す平面図であり、図１９はその側面図である。本排気浄化装置は、排気マニホルド１７の下流側に排気管１８を介して接続された切換部７１と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の一方側と切換部７１とを接続する第一接続部７２ａと、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の他方側と切換部７１とを接続する第二接続部７２ｂと、切換部７１の下流側の排気通路７３とを具備している。排気管１８には切換部７１の上流側へ燃料等の還元物質を供給するための燃料供給装置７４が設けられている。切換部７１は、切換部７１内で排気流れを遮断することを可能とする弁体７１ａを具備している。弁体７１ａは、負圧アクチュエータ又はステップモータ等によって駆動される。弁体７１ａの一方の遮断位置において、切換部７１内の上流側が第一接続部７２ａと連通されると共に切換部７１内の下流側が第二接続部７２ｂと連通され、排気ガスは、図１８に矢印で示すように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の一方側から他方側へ流れる。
【００５７】
また、図２０は、弁体７１ａの他方の遮断位置を示している。この遮断位置において、切換部７１内の上流側が第二接続部７２ｂと連通されると共に切換部７１内の下流側が第一接続部７２ａと連通され、排気ガスは、図２０に矢印で示すように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁体７１ａを切り換えることによって、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０へ流入する排気ガスの方向を逆転することができ、すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側と排気下流側とを逆転することが可能となる。
【００５８】
図２１にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の構造を示す。なお、図２１において、（Ａ）はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の正面図であり、（Ｂ）は側面断面図である。これらの図に示すように、本ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０は、長円正面形状を有し、例えば、コージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム構造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線方向に延在する隔壁５４によって細分された多数の軸線方向空間を有している。隣接する二つの軸線方向空間において、栓５３によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路５０となり、他方は流出通路５１となり、排気ガスは、図２１（Ｂ）に矢印で示すように、必ず隔壁５４を通過する。各隔壁５４の両側表面上、及び、好ましくは各隔壁５４内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明するＮＯ_X吸収剤と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。
【００５９】
隔壁５４に担持させたＮＯ_X吸収剤は、本実施例では、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なくとも一つである。このＮＯ_X吸収剤は、近傍雰囲気中の空燃比（空気と燃料との比であり、ここで、どれだけの燃料が空気中の酸素を使用して燃焼しているかは関係ない）がリーンのときにはＮＯ_Xを吸収し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。
【００６０】
このＮＯ_X吸収剤は実際にＮＯ_Xの吸放出作用を行うが、この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図２２に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の隔壁上に白金ＰｔおよびバリウムＢａ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、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００６１】
低温燃焼及び普通燃焼に係わらず、空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には、排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図２２（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-又はＯ^2-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上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図２２（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤内に吸収される。近傍雰囲気の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ₂が生成され、吸収剤のＮＯ_X吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。
【００６２】
一方、近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると酸素濃度が低下し、その結果白金Ｐｔの表面でのＮＯ₂の生成量が低下する。ＮＯ₂の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形で吸収剤から放出される。このときＮＯ_X吸収剤から放出されたＮＯ_Xは図２２（Ｂ）に示されるように近傍雰囲気中に含まれるＨＣ及びＣＯ等と反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ₂が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂が放出される。従って近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xが放出され、しかもこの放出されたＮＯ_Xが還元されるために大気中にＮＯ_Xが排出されることはない。
【００６３】
なお、この場合、近傍雰囲気の空燃比を理論空燃比にしてもＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xが放出される。しかしながら、この場合にはＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xが徐々にしか放出されないためにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置に吸収されている全ＮＯ_Xを放出させるには若干長い時間を要する。
【００６４】
ところでＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収能力には限度があり、ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収能力が飽和する前にＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xを放出させる必要がある。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０に吸収されているＮＯ_X量がＮＯ_X貯蔵可能量に達する以前に、ＮＯ_Xを放出させ還元浄化する再生の必要があり、そのためには、このＮＯ_X量を推定する必要がある。そこで本実施例では低温燃焼が行われている時の単位時間当りのＮＯ_X吸収量Ａを要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２３（Ａ）に示すようなマップの形で予め求めておき、普通燃焼が行われている時の単位時間当りのＮＯ_X吸収量Ｂを要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２３（Ｂ）に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのＮＯ_X吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置に吸収されているＮＯ_X量を推定するようにしている。ここで、低温燃焼が行われているときの単位時間当たりのＮＯ_X吸収量Ａは、もちろん、低温燃焼がリッチ空燃比で行われる時にはＮＯ_Xは放出されることとなるために、マイナス値となる。本実施例ではこのＮＯ_X吸収量が予め定められた許容値を越えた時にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を再生するために、理論空燃比又はリッチ空燃比での低温燃焼を実施するか、又は、燃料供給装置７４を使用して燃料を供給することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の近傍雰囲気を理論空燃比又リッチ空燃比とし、少なくとも再生が完了するまでの時間（近傍雰囲気の空燃比が小さいほど短くなる）だけこの状態を維持するようになっている。
【００６５】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してＳＯ_Xが生成される。ＳＯ_Xは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０へＮＯ_Xと同様なメカニズムにより硫酸塩の形で吸収される。硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としてもＮＯ_X吸蔵還元触媒装置から放出され難く、吸蔵量が徐々に増加する。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置への硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置における硫酸塩の吸蔵量が増加すれば（以下、ＳＯ_X被毒と称する）、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くＮＯ_Xを吸収することができなくなる。
【００６６】
従って、本実施例では、図２４に示す第一フローチャートによってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０のＳＯ_X被毒を回復するようになっている。本フローチャートは、所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ１０１において、ＳＯ_X被毒の回復が必要な回復時期であるか否かが判断される。この判断には、例えば、これまでに消費した燃料量を積算し、この積算燃料量が設定量に達したことを利用することができる。また、前述の再生処理において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側の空燃比はリッチにされるが、再生中においては、ＨＣ等の還元物質が放出されたＮＯ_Xの還元浄化に使用されるために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側の空燃比は理論空燃比に近くなる。しかしながら、再生が完了すると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側の空燃比は、上流側の空燃比とほぼ等しくリッチとなる。これを利用して再生時間を検出すれば、ＳＯ_X被毒の回復時期が判断可能である。なぜなら、回復が必要なほどＳＯ_X被毒が進行していると、再生時期におけるＮＯ_X吸収量が実際には少なくなっており、再生時間が短くなるためである。
【００６７】
ステップ１０１における判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時にはステップ１０２に進み、燃料供給装置７４によって燃料が供給される。この時に低温燃焼が実施されている時には燃焼空燃比はリーンとされ、排気ガス中には比較的多くの酸素が含まれているようにして、燃料が供給されてもＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の近傍雰囲気は結果としてリーン空燃比とされる。こうして、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０には十分な酸素と燃料とが供給され、この燃料は、主にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気入口部において、そこに担持されている酸化触媒によって良好に燃焼を開始する。
【００６８】
図２５は、このような燃料の燃焼によるＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の各部の温度変化を示す図である。同図において、実線は燃料の燃焼開始直後の各部温度を示しており、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気入口部だけが良好に温度上昇している。点線は実線で示す各部温度の直後の各部温度を示しており、一点鎖線は点線で示す各部温度の直後の各温度を示している。点線及び一点鎖線で示すように、排気入口部を昇温させた熱は、排気ガス流れと共に中央部へ、さらに排気出口部へと移動し、結果的には、排気出口部は比較的良好に昇温されるが、排気入口部は僅かに昇温されるだけである。
【００６９】
供給された燃料によって、このようなＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の昇温が繰り返されれば、排気入口部を含めてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体を徐々に昇温することができる。ＳＯ_X被毒の源である硫酸塩は安定な物質であるが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が６００°Ｃ程度の高温とされれば、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＳＯ_Xとして放出させることができる。従って、ＳＯ_X被毒の回復には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体を約６００°Ｃまで昇温する必要があるが、前述のように、徐々に昇温させていたのでは、長い時間が必要である。
【００７０】
本フローチャートでは、ステップ１０３において、第一設定時間毎に弁体７１ａを切り換えて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転するようになっている。この第一設定時間は、例えば、十数秒であり、これは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気入口部において所定量の燃料が燃焼を開始してから、この燃焼熱が前述したように排気下流部を最も昇温するまでの時間より少なくとも長い時間である。従って、弁体７１ａが切り換えられた時には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気入口部、すなわち、これまでの排気出口部は比較的高温となっており、さらなる燃料は、この高温の排気入口部において非常に良好に燃焼を開始し、前述したと同様に、排気出口部をさらに高温度とする。
【００７１】
もちろん、弁体を一回切り換えるだけでも、比較的良好にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体を昇温させることができる。しかしながら、ステップ１０４において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦが６００°Ｃを越えたか否かが判断され、これが否定される時には、燃料供給及び弁体の切り換えを繰り返すようになっている。こうして、常に、比較的良好に昇温された排気出口部へ燃料が供給されることとなり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体を非常に素早く所望温度へ昇温することができる。ここでのＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置から排出される排気ガス温度に基づき推定しても良く、例えば、排気入口部、中央部、排気出口部のいずれかの温度を検出しても良く、また、これら全ての温度を検出して、これらの平均温度又は最低温度を使用しても良い。
【００７２】
こうしてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が６００°Ｃに昇温されれば、ステップ１０４における判断は肯定されてステップ１０５に進み、ステップ１０２での供給燃料より多くの燃料が供給され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の近傍雰囲気を結果として理論空燃比、又は好ましくはリッチ空燃比とする。それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xの放出が開始され、このＳＯ_Xは還元浄化される。次いで、ステップ１０６において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦが７００°Ｃを越えたか否かが判断される。当初、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度は６００°Ｃを越えた直後であるために、この判断は否定されてステップ１０７に進む。ここで、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置から排出される排気ガス温度に基づき推定しても良く、例えば、排気入口部、中央部、排気出口部のいずれかの温度を検出しても良く、また、これら全ての温度を検出して、これらの平均温度又は最高温度を使用しても良い。
【００７３】
ステップ１０７では、第二設定時間毎に弁体７１ａを切り換え、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側と排気下流側とを逆転する。第二設定時間は、例えば数秒である。こうすることにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の両方へ交互に燃料を供給することができ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の排気入口部において放出されたＳＯ_Xが排気出口部において再び吸蔵されようとしている時に、この排気出口部は排気入口部として燃料が供給されるために、このＳＯ_Xを吸蔵以前に還元浄化することができる。こうして、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体のＳＯ_X被毒を短時間で完了することができる。
【００７４】
次いで、ステップ１０９において、例えば、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂのそれぞれに空燃比センサを設けて、これら空燃比センサの出力Ａ１及びＡ２がほぼ等しいか否かが判断される。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側の空燃比と排気下流側の空燃比とがほぼ等しいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ＨＣ等の還元物質がＳＯ_Xの還元浄化に使用されていないことであり、すなわち、ＳＯ_X被毒回復は完了したこととなる。但し、弁体を切り換えた直後では、排気下流側の空燃比はリッチのままであり、空燃比の検出は、弁体を切り換える直前、又は、弁体の切り換えを停止して暫くしてから実施することが好ましい。もちろん、ステップ１０９における判断に代えて、ステップ１０５での燃料供給時間が設定時間となった時にＳＯ_X被毒回復が完了したとしても良い。
【００７５】
この判断が肯定される時には、ステップ１１０において燃料供給を停止すると共に弁体の切り換えを停止するが、否定される時には、前述のステップ１０５以降の処理が繰り返される。しかしながら、このＳＯ_X被毒回復処理において、近傍雰囲気の空燃比はリッチとされているために、あまり起こらないが、弁体の切り換え最中に、もし、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において燃料が燃焼を開始すれば、前述のように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を良好に昇温させることとなる。それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度が７００°Ｃを越えるようなこととなると、白金Ｐｔ等の酸化触媒がシンタリングを起こして機能低下する。これを防止するために、ステップ１０６における判断が肯定される時には、ステップ１０８において、弁体の切り換えを中止するようになっている。弁体の切り換え中止は、ＳＯ_X被毒回復時間を延長させることとなるために、前述したように、ＳＯ_X被毒回復の完了に設定時間を使用する場合には、弁体の切り換え中止時間が長いほど、設定時間を長くする必要がある。
【００７６】
本フローチャートにおいて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の昇温（ステップ１０２）及びＳＯ_X放出還元（ステップ１０５）に燃料供給装置によって燃料を供給するようにしたが、前述したように、低温燃焼時には、排気ガス中にＨＣ及びＣＯ等の還元物質が比較的多く含まれるために、燃料供給に代えて、ステップ１０２ではリーン空燃比での低温燃焼を実施するようにし、ステップ１０５ではリッチ空燃比での低温燃焼を実施するようにしても良い。また、機関燃料噴射弁を利用して排気行程で燃料を噴射するようにしても良い。
【００７７】
本実施例において、燃料供給装置は切換部７１の上流側に配置され、弁体を切り換えることにより、単一の燃料供給装置でＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０のいずれの側へも燃料を供給可能となっている。しかしながら、この一方で、排気上流側となっている一方の接続部７２ａ又は７２ｂ内の燃料の一部は、弁体の切り換え時に排気下流側となってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を通過せずに排気通路７３へ排出されることとなる。これを防止するためには、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂの両方に燃料供給装置を設けて、いずれかの燃料供給装置によって、弁体の切り換え後に排気上流側となっている接続部だけに燃料を供給するようにすれば、ＳＯ_X被毒回復のための燃料消費をかなり低減することができる。
【００７８】
ところで、本実施例のディーゼルエンジンは、前述したように低温燃焼と普通燃焼とを切り換えて実施するものであり、低温燃焼時には煤、すなわち、パティキュレートは殆ど生成されないが、普通燃焼時には比較的多くのパティキュレートが生成される。このパティキュレートも有害物質であるために、大気への放出を抑制しなければならない。
【００７９】
本ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０は前述したようにウォールフロー型である。それにより、排気ガス中のパティキュレートは、隔壁５４の細孔の大きさに比較して非常に小さいものであるが、排気ガスが隔壁５４を通過する際に、隔壁５４の排気上流側表面上及び隔壁５４内の細孔表面上に衝突して捕集される。このように、本ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０は、各隔壁５４をパティキュレート捕集のための捕集壁としても機能させることができる。もちろん、パティキュレートの捕集を意図しなければ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、ウォールフロー型としなくても良く、すなわち、図２２において栓５３を省略しても良い。
【００８０】
こうして捕集されたパティキュレートは、なしもしなければ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０に徐々に堆積して排気抵抗を増加させ、遂には車両走行に悪影響を与えることとなる。従って、本ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の各隔壁には、両側表面上、及び、好ましくは細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。
【００８１】
活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは、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ものである。
【００８２】
貴金属触媒としては、通常、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。
【００８３】
なお、この場合、活性酸素放出剤としては、カルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
【００８４】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の隔壁によって、捕集されたパティキュレートがどのように酸化除去されるかについて、白金Ｐｔ及びカリウムＫの場合を例にとって説明する。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パティキュレート除去作用が行われる。
【００８５】
ディーゼルエンジンでは通常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、この空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内では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は燃焼室内で酸素と反応してＳＯ₂となる。従って排気ガス中にはＳＯ₂が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯ及びＳＯ₂を含んだ排気ガスがＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側へ流入することになる。
【００８６】
図２６（Ａ）及び（Ｂ）はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の隔壁における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表している。なお、図２６（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を含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００８７】
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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の隔壁の排ガス接触面内に接触すると、図２６（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-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Ｏ₂ ^-又はＯ^2-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２６（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ₃を生成する。
【００８８】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ₂も含まれており、このＳＯ₂もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ₂は白金Ｐｔの表面でＯ₂ ^-又はＯ^2-と反応してＳＯ₃となる。次いで生成されたＳＯ₃の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ₃及び硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄が生成される。
【００８９】
排気ガス中のパティキュレートは、図２６（Ｂ）において６２で示されるように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置に担持された活性酸素放出剤６１の表面上に付着する。この時、パティキュレート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内の酸素がパティキュレート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がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００９０】
一方、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がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ₂が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ₂は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。但し、硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄は、安定化しているために、硝酸カリウムＫＮＯ₃に比べて活性酸素を放出し難い。
【００９１】
一方、パティキュレート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。従ってパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏがパティキュレート６２に接触するとパティキュレート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、パティキュレート６２を酸化する活性酸素Ｏは、活性酸素放出剤６１へＮＯ及びＳＯ₂が吸収され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活性酸素放出剤６１内において硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。パティキュレート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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の隔壁上に付着したパティキュレート６２は活性酸素Ｏによって酸化せしめられるがこれらパティキュレート６２は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【００９２】
ところで白金Ｐｔ及び活性酸素放出剤６１はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素Ｏの量はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易くなる。従ってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上において単位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度が高くなるほど増大する。
【００９３】
図２７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２７において横軸はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦを示している。なお、図２７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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０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２７に示されるようにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の温度が高くなるほど増大する。
【００９４】
さて、単位時間当りに燃焼室から排出されるパティキュレート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量Ｇよりも少ないとき、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よりも少ないとき、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よりも少ないとき、即ち図２７の領域Ｉでは燃焼室から排出された全てのパティキュレートがＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０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。
【００９５】
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２７の領域IIでは全てのパティキュレートを順次酸化するには活性酸素量が不足している。図２８（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合におけるパティキュレートの酸化の様子を示している。
【００９６】
即ち、全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している場合には図２８（Ａ）に示すようにパティキュレート６２が活性酸素放出剤６１上に付着するとパティキュレート６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分がＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側面上に残留する。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パティキュレート部分が排気上流面上に残留し、その結果図２８（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われるようになる。
【００９７】
このような残留パティキュレート部分６３は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ₂の酸化作用及び活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が抑制される。それにより、時間を掛ければ徐々に残留パティキュレート部分６３を酸化させることができるが、図２８（Ｃ）に示されるように残留パティキュレート部分６３の上に別のパティキュレート６４が次から次へと堆積する。即ち、パティキュレートが積層状に堆積すると、これらパティキュレートは、白金Ｐｔや活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキュレートであっても活性酸素によって酸化されることはない。従ってこのパティキュレート６４上に更に別のパティキュレート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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【００９８】
このように図２７の領域ＩではパティキュレートはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置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２７の領域IIではパティキュレートがＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上に積層状に堆積する。従って、排出微粒子量Ｍと酸化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉにすれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上へのパティキュレートの堆積を防止することができる。その結果、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０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。しかしながら、これが常に実現されるとは限らず、何もしなければＮＯ_X吸蔵還元触媒装置にはパティキュレートが堆積することがある。
【００９９】
本実施例では、前述の電子制御ユニット３０により図２９に示す第二フローチャートに従って弁体７１ａの切換制御を実施し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置への多量のパティキュレートの堆積を防止している。本フローチャートは所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ２０１において、車両の走行距離積算値Ａが算出され、ステップ２０２において、この走行距離積算値Ａが設定走行距離Ａｓに達したか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時にはステップ２０３に進んで走行距離積算値Ａを０にリセットした後、ステップ２０４において、弁体７１ａを二つの遮断位置の一方から他方へ切り換える。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転する。
【０１００】
図３０は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の隔壁５４の拡大断面図である。車両が設定走行距離Ａｓを走行する間には、図２７の領域IIでの運転が実施されることもあり、図３０（Ａ）に格子で示すように、排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面は、一方の捕集面としてパティキュレートを衝突捕集し、活性酸素放出剤により酸化除去するが、この酸化除去が不十分となってパティキュレートが残留することがある。この時点では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気抵抗は車両走行に悪影響を与えるほどではないが、さらにパティキュレートが堆積すれば、機関出力の大幅な低下等の問題を発生する。第二フローチャートでは、この時点においてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とが逆転される。それにより、隔壁５４の一方の捕集面に残留するパティキュレート上には、さらにパティキュレートが堆積することはなく、一方の捕集面から放出される活性酸素によって残留パティキュレートは徐々に酸化除去される。また、隔壁の細孔内に残留するパティキュレートは、逆方向の排気ガス流によって、図３０（Ｂ）に示すように、容易に破壊されて細分化され、下流側へ移動する。
【０１０１】
それにより、細分化された多くのパティキュレートは、隔壁の細孔内に分散し、すなわち、パティキュレートは流動することにより、隔壁の細孔内表面に担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除去される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも活性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレートを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔壁５４の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面（一方の捕集面とは反対側の関係となる）では、排気ガス中の新たなパティキュレートが付着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素によって酸化除去される。これらの酸化除去の際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残留するパティキュレートを酸化除去する。
【０１０２】
すなわち、隔壁における一方の捕集面の残留パティキュレートには、この捕集面から放出される活性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された残りの活性酸素が排気ガスによって到来する。それにより、弁体の切り換え時点において、隔壁の一方の捕集面にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたとしても、排気ガスを逆流させれば、残留パティキュレート上に堆積するパティキュレートへも活性酸素が到来することに加えて、さらにパティキュレートが堆積することはないために、堆積パティキュレートは徐々に酸化除去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、この間で十分に酸化除去可能である。こうして、パティキュレートの捕集に第一捕集面と第二捕集面とを交互に使用すると、常に単一の捕集面でパティキュレートを捕集する場合に比較して、各捕集面でのパティキュレート捕集量を低減することができ、パティキュレートの酸化除去に有利となるために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置にはパティキュレートが堆積することはなく、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の目詰まりを防止することができる。
【０１０３】
第二フローチャートにおいて、弁体の切り換えは、設定走行距離毎に行うようになっており、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上の残留パティキュレートが酸化され難いカーボン質に変質する以前に弁体が切り換えられる。また、多量のパティキュレートが堆積する以前にパティキュレートを酸化除去することは、多量の堆積パティキュレートが一度に着火燃焼して多量の燃焼熱を発生させ、この燃焼熱によりＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が溶損する等の問題を防止することにもなる。また、何らかの要因によって、弁体の切り換え時点でＮＯ_X吸蔵還元触媒装置隔壁の一方の捕集面に多量のパティキュレートが堆積してしまったとしても、弁体が切り換えられれば、堆積パティキュレートは逆方向の排気ガス流によって比較的容易に破壊及び細分化されるために、隔壁の細孔内で酸化除去できなかった一部の細分化パティキュレートはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置から排出されることとなるが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気抵抗がさらに高まって車両走行に悪影響を与えることはなく、また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置隔壁の他方の捕集面によって新たなパティキュレートの捕集が可能となる。
【０１０４】
こうして、設定走行距離毎に弁体を切り換えれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ多量のパティキュレートが堆積することを確実に防止することができる。このための弁体の切り換え時期は、設定走行距離毎に限定されることはなく、例えば、設定時間毎としても不定期としても良い。
【０１０５】
また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上に残留及び堆積するパティキュレート量に応じてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側と排気下流側との差圧が上昇することを利用し、この差圧が設定差圧以上となった時を、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるようにしても良い。具体的には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０の一方側の排気圧力、すなわち、第一接続部７２ａ（図１８参照）内の排気圧力を、第一接続部７２ａに配置された圧力センサによって検出すると共に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の他方側の排気圧力、すなわち、第二接続部７２ｂ（図１８参照）内の排気圧力を、第二接続部７２ｂに配置された圧力センサによって検出し、これらの排気圧力の差圧の絶対値が、設定圧力差以上となったか否かを判断する。ここで、差圧の絶対値を使用するのは、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂのいずれが排気上流側となっていても差圧の上昇を把握可能とするためである。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の両側の差圧は、厳密には、機関運転状態毎の気筒内から排出される排気ガス圧力によっても変化するために、パティキュレートの堆積の判断には、機関運転状態を特定することが好ましい。
【０１０６】
また、この差圧以外にも、例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の所定隔壁上の電気抵抗値の変化を監視して、パティキュレートの堆積によって電気抵抗値が設定値以下となった時を、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるようにしても良い。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の所定隔壁において、パティキュレートの堆積により、光の透過率が低下すること、又は、光の反射率が低下することを利用して、弁体を切り換えるようにしても良い。このように、パティキュレートの堆積を直接的に判断して弁体を切り換えることにより、さらに確実に機関出力の大幅な低下を防止することができる。
【０１０７】
また、多量のパティキュレートの堆積を防止するために、前述のように意図的に弁体を切り換えなくても、第一フローチャートのＳＯ_X被毒回復処理において、開始時の弁体の遮断位置が終了時に切り換わるようにしても良い。
【０１０８】
本排気浄化装置は、前述のように非常に簡単な構成によってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転することを可能とする。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置においては、排気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積が必要とされるが、本排気浄化装置では、図１８及び１９に示すように、車両搭載性を悪化させることなく、大きな開口面積を有するＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を使用可能である。
【０１０９】
また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させると、活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出される。この一気に放出された活性酸素Ｏによって、堆積パティキュレートは酸化され易いものとなって容易に酸化除去される。
【０１１０】
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、従って空燃比が再び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、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。
【０１１１】
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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置７０上におけるパティキュレートの酸化作用を促進することができる。
【０１１２】
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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を昇温させる。それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置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。弁体７１ａによってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを切り換えた直後に排気ガスの空燃比をリッチにすれば、パティキュレートが残留していないＮＯ_X吸蔵還元触媒装置隔壁における他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性酸素を放出し易いために、さらに多量の放出される活性酸素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートをさらに確実に酸化除去することができる。もちろん、弁体７１ａの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比をリッチにしても良く、それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【０１１３】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施すれば良い。もちろん、通常燃焼から低温燃焼へ切り換わる時に、又は、それに先だってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを切り換えるようにしても良い。また、排気ガスの空燃比をリッチにするために、単に燃焼空燃比をリッチにしても良い。また、圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、機関燃料噴射弁によって排気行程又は膨張行程において気筒内に燃料を噴射（ポスト噴射）しても良く、又は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射（ビゴム噴射）しても良い。もちろん、ポスト噴射又はビゴム噴射は、主燃料噴射との間に必ずしもインターバルを設ける必要はない。また、機関排気系に燃料を供給することも可能である。
【０１１４】
ところで、排気ガス中のカルシウム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、酸化除去され難く、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置上にアッシュとして残留することとなる。従って、硫酸カルシウムの残留によるＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の目詰まりを防止するためには、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を用いることが好ましく、それにより、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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の隔壁を通過する。従ってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置がアッシュによって目詰まりすることがなくなる。こうして、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。
【０１１５】
また、活性酸素放出剤としてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置に白金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ＮＯ₂又はＳＯ₃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２７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（Ｃｅ₂Ｏ₃→２ＣｅＯ₂）、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（２ＣｅＯ₂→Ｃｅ₂Ｏ₃）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、排気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良い。
【０１１６】
また、活性酸素放出剤として排気ガス中のＮＯ_X浄化に使用されるＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いることも可能である。この場合においては、ＮＯ_X又はＳＯ_Xを放出させるために排気ガスの空燃比を少なくとも一時的にリッチにする必要があり、このリッチ化制御をＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側と下流側との逆転後に実施することが好ましい。
【０１１７】
本実施例において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置自身が活性酸素放出剤を担持して、この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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置又はそれに担持させた物質から放出されても、外部からＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入するようにしても良い。パティキュレート酸化物質が外部から流入する場合においても、パティキュレートを捕集するために、捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とを交互に使用することで、排気下流側となった一方の捕集面では、新たにパティキュレートが堆積することはなく、この堆積パティキュレートを、他方の捕集面から流入するパティキュレート酸化成分によって徐々にでも酸化除去して、堆積パティキュレートをある程度の時間で十分に酸化除去することが可能である。この間において、他方の捕集面では、パティキュレートの捕集と共にパティキュレート酸化成分による酸化が行われるために、前述同様な効果がもたらされる。また、この場合においても、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の昇温は、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。
【０１１８】
本実施例のディーゼルエンジンは、低温燃焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、もちろん、通常燃焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパティキュレートを排出するガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。
【０１１９】
【発明の効果】
このように、本発明による内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されて近傍雰囲気がリーン空燃比の時にＮＯ_Xを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元触媒装置と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ排気上流側から還元物質を供給するための供給手段とを具備し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置のＳＯ_X被毒回復のために、ＮＯ _X 吸蔵還元触媒全体を第一設定温度へ昇温させる際に、供給手段によってＮＯ _X 吸蔵還元触媒装置において燃焼させる還元物質を供給すると共に逆転手段によってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転するようになっている。こうして供給された還元物質は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気入口部で燃焼するが、排気ガス流による熱の移動によって結果的には主に排気出口部を良好に昇温させる。それにより、逆転手段によってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とが逆転されれば、良好に昇温された排気入口部、すなわち、これまでの排気出口部へ燃料が供給されることとなり、この燃料は良好に燃焼してさらに排気入口部を昇温させると共に排気出口部を良好に昇温させ、ＳＯ_X被毒回復のために素早くＮＯ_X吸蔵還元触媒装置全体を第一設定温度へ昇温することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置を備えるディーゼルエンジンの概略縦断面図である。
【図２】図１の燃焼室の拡大縦断面図である。
【図３】図１のシリンダヘッドの底面図である。
【図４】燃焼室の側面断面図である。
【図５】吸排気弁のリフトと燃料噴射を示す図である。
【図６】スモークおよびＮＯ_Xの発生量等を示す図である。
【図７】Ａは空燃比が２１付近でスモークの発生量が最も多い時の燃焼圧変化を示す図であり、Ｂは空燃比が１８付近でスモークの発生量がほぼ零の時の燃焼圧変化を示す図である。
【図８】燃料分子を示す図である。
【図９】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図１０】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図１１】第１の運転領域Ｉ及び第２の運転領域IIを示す図である。
【図１２】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１４】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１５】Ａはスロットル弁の目標開度のマップを示す図であり、ＢはＥＧＲ制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図１６】第二燃焼における空燃比を示す図である。
【図１７】Ａはスロットル弁の目標開度のマップを示す図であり、ＢはＥＧＲ制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図１８】機関排気系における切換部及びＮＯ_X吸蔵還元触媒装置近傍の平面図である。
【図１９】図１８の側面図である。
【図２０】切換部内の弁体の図１８とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図２１】ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の構造を示す図である。
【図２２】ＮＯ_Xの吸放出作用を説明するための図である。
【図２３】単位時間当りのＮＯ_X吸収量のマップを示す図である。
【図２４】ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置のＳＯ_X被毒回復のための第一フローチャートである。
【図２５】ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の各部の温度変化を示す図である。
【図２６】パティキュレートの酸化作用を説明するための図である。
【図２７】酸化除去可能微粒子量とＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の温度との関係を示す図である。
【図２８】パティキュレートの堆積作用を説明するための図である。
【図２９】ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置への多量のパティキュレートの堆積を防止するための第二フローチャートである。
【図３０】ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の隔壁の拡大断面図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
７１…切換部
７０…ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置
７４…燃料供給装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
NOx harmful to the exhaust gas of internal combustion engines, especially diesel engines_XIs included, this NO_XNO in the engine exhaust system_XIt has been proposed to arrange an occlusion reduction catalyst device. NO_XThe occlusion reduction catalyst device is NO when the oxygen concentration in the vicinity atmosphere is high._XIs absorbed in the form of nitrate, and the absorbed NO is absorbed when the oxygen concentration in the surrounding atmosphere decreases._XAre to be released. As a result, NO_XThe NOx storage and reduction catalyst device is used for NO from exhaust gas from diesel engines that are burned under excess air._XNO. By absorbing oxygen well and periodically reducing the oxygen concentration by setting the ambient atmosphere to the theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio,_XIs released and purified by reducing substances such as HC._XCan be purified well without being released into the atmosphere.
[0003]
By the way, the fuel of the internal combustion engine contains sulfur, and the SO_XIs generated. SO_XIs NO_XNO to occlusion reduction catalyst device_XIt is absorbed in the form of sulfate by the same mechanism. Since sulfate is a stable substance, it is NO even if the ambient atmosphere is rich air-fuel ratio._XIt is difficult to release from the storage reduction catalyst device and the storage amount gradually increases. NO_XThe amount of nitrate or sulfate that can be stored in the storage reduction catalyst device is finite, NO._XIf the storage amount of sulfate in the storage reduction catalyst device increases (hereinafter referred to as SO_X(Referred to as poisoning), the amount of nitrate that can be stored decreases, and finally, NO_XCannot absorb.
[0004]
Therefore, SO_XNO poisoned_XThe occlusion reduction catalyst device must be restored. Sulfate is a stable substance, but NO_XIf the occlusion reduction catalyst device is at a high temperature of about 600 ° C., the oxygen concentration is reduced by setting the ambient atmosphere as the theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, thereby reducing the SO concentration._XCan be released as Thereby, in general, SO_XIn order to recover poisoning, NO is reduced by supplying a reducing substance to a nearby atmosphere having a high oxygen concentration and burning the reducing substance._XThe temperature of the storage reduction catalyst device is raised to about 600 ° C.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the reducing substances supplied in this way are mainly NO._XCombustion is performed at the exhaust inlet portion of the storage reduction catalyst device, and the temperature of the exhaust inlet portion is once raised satisfactorily. However, since most of this heat is immediately transferred to the exhaust outlet along with the exhaust gas flow, even if the temperature of the exhaust outlet is raised relatively well, the temperature of the exhaust inlet is lowered and the temperature rises only slightly. It is. Thus, SO_XNO for recovery from poisoning_XIn order to raise the temperature of the entire storage reduction catalyst device to 600 ° C. or higher, a relatively long time is required.
[0006]
Accordingly, the object of the present invention is to provide SO_XNO for recovery from poisoning_XAn object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can realize a temperature increase of the entire storage reduction catalyst device in a short time.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 according to the present invention is arranged in the engine exhaust system so that NO is emitted when the ambient atmosphere is a lean air-fuel ratio._XWhen the stoichiometric or rich air-fuel ratio is absorbed, NO_XNO release_XThe NOx storage reduction catalyst device and the NO_XReversing means for reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device, the NO_XSupply means for supplying the reducing substance from the exhaust upstream side to the storage reduction catalyst device, and the NO_XSO of storage reduction catalyst device_XFor recovery from poisoning,NO _X When raising the entire storage reduction catalyst to the first set temperature,By the supply meansNO _X Combustion in the occlusion reduction catalyst deviceA reducing substance is supplied and the NO is reversed by the reverse means._XThe present invention is characterized in that the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device are reversed.
[0008]
  An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to a second aspect of the present invention is the internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to the first aspect, wherein the NO_XThe temperature of the storage reduction catalyst deviceSaidWhen the temperature is higher than the first set temperature or when it is predicted that the temperature is higher than the first set temperature, the NO_XThe reducing device is supplied by the supply device so that the atmosphere in the vicinity of the storage reduction catalyst device becomes a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio, and the NO by the reversing means is supplied._XRepeating the reverse of the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device, the NO_XThe temperature of the storage reduction catalyst deviceNO _X Oxidation catalyst supported on storage reduction catalyst unit causes sinteringWhen the temperature is over the second set temperature or when it is predicted that the temperature is over the second set temperature, the NO by the reverse rotation means_XThe reverse rotation between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device is stopped.
[0009]
An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to a third aspect of the present invention is the internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to the first or second aspect._XThe occlusion reduction catalyst device has a collection wall for collecting particulates in exhaust gas, the particulates collected by the collection wall are oxidized, and the collection wall is a first collection surface. And the second collection surface, and the NO reverse means by the reverse means_XBy reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device, the first collection surface and the second collection surface of the collection wall are alternately arranged to collect particulates. It is used.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the third aspect, wherein an active oxygen release agent is supported on the collection wall, and the active oxygen The active oxygen released from the release agent is characterized in that the particulates are oxidized.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the fourth aspect, wherein the active oxygen release agent removes oxygen when excess oxygen is present in the surrounding area. In this case, oxygen is retained, and when the surrounding oxygen concentration is lowered, the retained oxygen is released in the form of active oxygen.
[0012]
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 6 according to the present invention is the exhaust gas purification apparatus for internal combustion engine according to claim 4, wherein the active oxygen release agent is NO when excess oxygen exists in the surrounding area._XNO combined with oxygen_XAnd the combined NO as the ambient oxygen concentration decreases_XAnd oxygen NO_XIt is characterized by being decomposed and released into active oxygen.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a four-stroke diesel engine equipped with an exhaust emission control device according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of a combustion chamber in the diesel engine of FIG. 1, and FIG. It is a bottom view of the cylinder head in the diesel engine of. Referring to FIGS. 1 to 3, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5a is a cavity formed on the top surface of the piston 4, and 5 is formed in the cavity 5a. The combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is a pair of intake valves, 8 is an intake port, 9 is a pair of exhaust valves, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to an air cleaner 14 via an intake duct 13. A throttle valve 16 driven by an electric motor 15 is disposed in the intake duct 13. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to the exhaust manifold 17.
[0014]
As shown in FIG. 1, an air-fuel ratio sensor 21 is disposed in the exhaust manifold 17. The exhaust manifold 17 and the surge tank 12 are connected to each other via an EGR passage 22, and an electrically controlled EGR control valve 23 is disposed in the EGR passage 22. A cooling device 24 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 22 is disposed around the EGR passage 22. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 24, and the EGR gas is cooled by the engine cooling water.
[0015]
On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected to a fuel reservoir, so-called common rail 26, via a fuel supply pipe 25. Fuel is supplied into the common rail 26 from an electrically controlled fuel pump 27 with variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 26 is supplied to the fuel injection valve 6 through each fuel supply pipe 25. A fuel pressure sensor 28 for detecting the fuel pressure in the common rail 26 is attached to the common rail 26, and a fuel pump 27 is set so that the fuel pressure in the common rail 26 becomes a target fuel pressure based on an output signal of the fuel pressure sensor 28. The discharge amount is controlled.
[0016]
An electronic control unit 30 receives an output signal from the air-fuel ratio sensor 21 and an output signal from the fuel pressure sensor 28. Further, a load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and an output signal of the load sensor 41 is also input to the electronic control unit 30. For example, an output signal of a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every 30 ° rotation is also input. Thus, the electronic control unit 30 operates the fuel injection valve 6, the electric motor 15, the EGR control valve 23, the fuel pump 27, and the switching valve 71a in the switching unit 71 based on various signals. This switching valve 71a will be described later.
[0017]
As shown in FIGS. 2 and 3, in the embodiment according to the present invention, the fuel injection valve 6 is composed of a hole nozzle having six nozzle ports, and the nozzle port of the fuel injection valve 6 is equiangularly slightly downward with respect to the horizontal plane. Fuel F is injected at intervals. As shown in FIG. 3, two of the six fuel sprays F are scattered along the lower surface of the valve body of each exhaust valve 9. 2 and 3 show the time when fuel injection is performed at the end of the compression stroke. At this time, the fuel spray F advances toward the inner peripheral surface of the cavity 5a, and is then ignited and combusted.
[0018]
FIG. 4 shows a case where additional fuel is injected from the fuel injection valve 6 when the lift amount of the exhaust valve 9 is maximum during the exhaust stroke. That is, as shown in FIG. 5, the main injection Qm is performed near the compression top dead center, and then, the additional fuel Qa is injected in the middle of the exhaust stroke. In this case, the fuel spray F traveling in the direction of the valve body of the exhaust valve 9 is directed between the rear surface of the umbrella portion of the exhaust valve 9 and the exhaust port 10. That is, in other words, of the six nozzle ports of the fuel injection valve 6, two of the nozzle ports discharge the fuel spray F when additional fuel Qa is injected while the exhaust valve 9 is open. It is formed so as to face between the rear surface of the umbrella portion of the valve 9 and the exhaust port 10. In the embodiment shown in FIG. 4, the fuel spray F collides with the back of the umbrella part of the exhaust valve 9 at this time, and the fuel spray F that collides with the back of the umbrella part of the exhaust valve 9 is reflected on the back of the umbrella part of the exhaust valve 9. To the exhaust port 10.
[0019]
Normally, no additional fuel Qa is injected, and only main injection Qm is performed. FIG. 6 shows the change in output torque when the air-fuel ratio A / F (horizontal axis in FIG. 6) is changed by changing the opening degree and EGR rate of the throttle valve 16 during engine low load operation, and smoke, HC , CO, NO_XThe experiment example which shows the change of the discharge amount of is shown. As can be seen from FIG. 6, in this experimental example, the EGR rate increases as the air-fuel ratio A / F decreases, and the EGR rate is 65% or more when the air-fuel ratio is less than the theoretical air-fuel ratio (≈14.6).
[0020]
As shown in FIG. 6, when the air-fuel ratio A / F is decreased by increasing the EGR rate, the EGR rate becomes around 40% and the amount of smoke generated increases when the air-fuel ratio A / F becomes about 30 To start. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is decreased, the amount of smoke generated increases rapidly and reaches a peak. Next, when the EGR rate is further increased and the air-fuel ratio A / F is reduced, the smoke suddenly decreases, the EGR rate is increased to 65% or more, and when the air-fuel ratio A / F is near 15.0, the smoke becomes almost zero. . That is, almost no wrinkles occur. At this time, the output torque of the engine slightly decreases, and NO_XThe amount of generation is considerably low. On the other hand, the generation amount of HC and CO starts increasing at this time.
[0021]
FIG. 7A shows a change in combustion pressure in the combustion chamber 5 when the air-fuel ratio A / F is near 21 and the amount of smoke generated is the largest, and FIG. 7B shows that the air-fuel ratio A / F is 18. A change in the combustion pressure in the combustion chamber 5 when the amount of smoke generated in the vicinity is almost zero is shown. As can be seen by comparing FIG. 7A and FIG. 7B, the case of FIG. 7B where the amount of smoke generated is almost zero is shown in FIG. 7A where the amount of smoke generated is large. It can be seen that the combustion pressure is lower than the case.
[0022]
The following can be said from the experimental results shown in FIGS. That is, first, when the air-fuel ratio A / F is 15.0 or less and the amount of smoke generated is almost zero, as shown in FIG._XThe amount of generated is significantly reduced. NO_XThe reduction in the amount of generation means that the combustion temperature in the combustion chamber 5 has decreased, and therefore it can be said that the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low when soot is hardly generated. The same can be said from FIG. That is, in the state shown in FIG. 7B where almost no soot is generated, the combustion pressure is low, and therefore the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low at this time.
[0023]
Secondly, when the amount of smoke generated, that is, the amount of soot is substantially zero, the HC and CO emissions increase as shown in FIG. This means that the hydrocarbons are discharged without growing to the soot. That is, linear hydrocarbons and aromatic hydrocarbons as shown in FIG. 8 contained in the fuel are thermally decomposed to form soot precursors when the temperature is raised in an oxygen-deficient state. A soot made of a solid in which carbon atoms are assembled is produced. In this case, the actual soot formation process is complicated, and it is not clear what form the soot precursor will take, but in any case the hydrocarbons shown in FIG. After that, it will grow up to heels. Therefore, as described above, when the generation amount of soot becomes almost zero, the emission amount of HC and CO increases as shown in FIG. 6. At this time, HC is a precursor of soot or a hydrocarbon in the previous state. .
[0024]
Summarizing these considerations based on the experimental results shown in FIGS. 6 and 7, the amount of soot generated becomes almost zero when the combustion temperature in the combustion chamber 5 is low, and at this time, the soot precursor or the previous state Hydrocarbons are discharged from the combustion chamber 5. As a result of repeated experimental research on this in detail, when the temperature of the fuel in the combustion chamber 5 and the gas surrounding it is below a certain temperature, the soot growth process stops midway, that is, soot It was found that soot was not generated at all, and soot was generated when the temperature of the fuel in the combustion chamber 5 and the surrounding temperature became below a certain temperature.
[0025]
By the way, when the hydrocarbon generation process stops in the state of soot precursor, the temperature of the fuel and its surroundings, that is, the above-mentioned certain temperature changes depending on various factors such as the type of fuel, the air-fuel ratio and the compression ratio. I can't say how many times, but this certain temperature is NO_XTherefore, this certain temperature is NO._XIt can be defined to some extent from the generation amount of. That is, as the EGR rate increases, the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas decreases, and NO_XThe amount of generation decreases. At this time NO_XWhen the amount of generation becomes around 10p.p.m or less, soot almost disappears. Therefore, the above mentioned temperature is NO_XThis is almost the same as the temperature when the amount of generated is around 10p.p.m or less.
[0026]
Once soot is produced, it cannot simply be purified by post-treatment using a catalyst having an oxidizing function. On the other hand, the soot precursor or the hydrocarbon in the previous state can be easily purified by post-treatment using a catalyst having an oxidation function. Like this, NO_XIt is extremely effective for purifying exhaust gas to reduce the generation amount of hydrocarbons and to discharge hydrocarbons from the combustion chamber 5 in the state of soot precursor or in front thereof.
[0027]
Now, in order to stop the growth of hydrocarbons in a state before soot is generated, it is necessary to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas in the combustion chamber 5 to a temperature lower than the temperature at which soot is generated. There is. In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the gas around it, it has been found that the endothermic effect of the gas around the fuel when the fuel burns has a very large influence.
[0028]
That is, if there is only air around the fuel, the evaporated fuel immediately reacts with oxygen in the air and burns. In this case, the temperature of the air away from the fuel does not increase so much, and only the temperature around the fuel becomes extremely high locally. That is, at this time, the air away from the fuel hardly performs the endothermic action of the combustion heat of the fuel. In this case, since the combustion temperature becomes extremely high locally, the unburned hydrocarbons that have received this heat of combustion produce soot.
[0029]
On the other hand, the situation is slightly different when fuel is present in a mixed gas of a large amount of inert gas and a small amount of air. In this case, the evaporated fuel diffuses around and reacts with oxygen mixed in the inert gas and burns. In this case, since the combustion heat is absorbed by the surrounding inert gas, the combustion temperature does not rise so much. That is, the combustion temperature can be kept low. That is, the presence of the inert gas plays an important role in suppressing the combustion temperature, and the combustion temperature can be kept low by the endothermic action of the inert gas.
[0030]
In this case, in order to suppress the temperature of the fuel and the surrounding gas to a temperature lower than the temperature at which soot is generated, an amount of inert gas that can absorb a sufficient amount of heat is required. Therefore, if the amount of fuel increases, the amount of inert gas required increases accordingly. In this case, the greater the specific heat of the inert gas, the stronger the endothermic action. Therefore, the inert gas is preferably a gas having a large specific heat. This point, CO₂Since EGR gas has a relatively large specific heat, it can be said that it is preferable to use EGR gas as an inert gas.
[0031]
FIG. 9 shows the relationship between the EGR rate and smoke when EGR gas is used as the inert gas and the degree of cooling of the EGR gas is changed. That is, in FIG. 9, curve A shows the case where the EGR gas is strongly cooled and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the case where the EGR gas is cooled by a small cooling device. Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0032]
As shown by curve A in FIG. 9, when the EGR gas is cooled strongly, soot generation peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. If you do, almost no wrinkles will occur.
On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 9, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of soot generated peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is almost 65% or more. If this is done, almost no wrinkles will occur.
[0033]
Further, as shown by the curve C in FIG. 9, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of soot generated reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is approximately 70%. If the percentage is exceeded, almost no wrinkles occur.
FIG. 9 shows the amount of smoke generated when the engine load is relatively high. When the engine load is reduced, the EGR rate at which the amount of soot reaches a peak slightly decreases, and the EGR rate at which soot hardly occurs. The lower limit is also slightly reduced. Thus, the lower limit of the EGR rate at which soot hardly occurs varies depending on the degree of cooling of the EGR gas and the engine load.
[0034]
FIG. 10 shows the amount of mixed gas of EGR gas and air necessary for making the temperature of the fuel and the surrounding gas lower than the temperature at which soot is generated when EGR gas is used as the inert gas. And the ratio of the air in this gas mixture amount, and the ratio of the EGR gas in this gas mixture are shown. In FIG. 10, the vertical axis indicates the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5, and the chain line Y indicates the total intake gas amount that can be sucked into the combustion chamber 5 when supercharging is not performed. Yes. The horizontal axis indicates the required load, and Z1 indicates the low load operation region.
[0035]
Referring to FIG. 10, the ratio of air, that is, the amount of air in the mixed gas, indicates the amount of air necessary to completely burn the injected fuel. That is, in the case shown in FIG. 10, the ratio between the air amount and the injected fuel amount is the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, the ratio of EGR gas in FIG. 10, that is, the amount of EGR gas in the mixed gas, is necessary to make the temperature of the fuel and the surrounding gas lower than the temperature at which soot is formed when the injected fuel is burned. The minimum amount of EGR gas is shown. This EGR gas amount is approximately 55% or more in terms of EGR rate, and is 70% or more in the embodiment shown in FIG. That is, if the total intake gas amount sucked into the combustion chamber 5 is a solid line X in FIG. 10, the ratio of the air amount and the EGR gas amount in the total intake gas amount X is a ratio as shown in FIG. The temperature of the fuel and the surrounding gas is lower than the temperature at which soot is produced, and so no soot is produced. Also, NO at this time_XThe amount generated is around 10p.p.m or less, so NO_XThe amount of generated is extremely small.
[0036]
If the amount of fuel injection increases, the amount of heat generated when the fuel burns increases. Therefore, in order to maintain the temperature of the fuel and the surrounding gas at a temperature lower than the temperature at which soot is generated, the amount of heat absorbed by the EGR gas Must be increased. Therefore, as shown in FIG. 10, the amount of EGR gas must be increased as the amount of injected fuel increases. That is, the amount of EGR gas needs to increase as the required load increases.
[0037]
On the other hand, in the load region Z2 of FIG. 10, the total intake gas amount X necessary for preventing the generation of soot exceeds the total intake gas amount Y that can be sucked. Therefore, in this case, in order to supply the total intake gas amount X necessary for preventing the generation of soot into the combustion chamber 5, it is necessary to supercharge or pressurize both the EGR gas and the intake air, or the EGR gas. When EGR gas or the like is not supercharged or pressurized, the total intake gas amount X coincides with the total intake gas amount Y that can be sucked in the load region Z2. Therefore, in this case, in order to prevent the generation of soot, the amount of air is slightly decreased to increase the amount of EGR gas, and the fuel is burned under a rich air-fuel ratio.
[0038]
As described above, FIG. 10 shows the case where the fuel is burned under the stoichiometric air-fuel ratio, but even if the air amount is smaller than the air amount shown in FIG. 10 in the low load operation region Z1 shown in FIG. That is, even if the air-fuel ratio is rich, NO is generated while preventing the generation of soot._XCan be reduced to around 10 p.pm or less, and even if the air amount is made larger than the air amount shown in FIG. 10 in the low load region Z1 shown in FIG. Even if the value is lean from 17 to 18, NO_XCan be reduced to around 10 p.p.m or less.
[0039]
That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so that the excess fuel does not grow to soot, and so no soot is generated. At this time, NO_XHowever, only a very small amount is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated if the combustion temperature is high, but in the present invention the soot is suppressed to a low temperature, so Not generated at all. In addition, NO_XHowever, only a very small amount is generated.
[0040]
Thus, in the engine low load operation region Z1, regardless of the air-fuel ratio, that is, whether the air-fuel ratio is rich, the stoichiometric air-fuel ratio, or the average air-fuel ratio is lean, no soot is generated._XThe amount of generated is extremely small. Therefore, considering the improvement of the fuel consumption rate, it can be said that it is preferable to make the average air-fuel ratio lean at this time.
[0041]
By the way, the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas can be suppressed to a temperature below the temperature at which the growth of hydrocarbons stops midway only when the heat generated by combustion is small and the engine load is relatively low. Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the engine load is relatively low, the temperature of the fuel during combustion and the surrounding gas temperature are suppressed to a temperature below the temperature at which hydrocarbon growth stops halfway, so that the first combustion, that is, low temperature combustion is performed. When the engine load is relatively high, the second combustion, that is, the combustion normally performed conventionally is performed. Here, the first combustion, that is, low temperature combustion, as is clear from the above description, the amount of inert gas in the combustion chamber is larger than the worst inert gas amount at which the amount of soot generation is maximum, and soot is almost generated. The second combustion, that is, the combustion that is normally performed in the past, is combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the worst inert gas amount that generates the largest amount of soot. Say.
[0042]
FIG. 11 shows a first operation region I in which the first combustion, that is, low-temperature combustion is performed, and a second combustion region II in which the second combustion, that is, combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 11, the vertical axis L indicates the amount of depression of the accelerator pedal 40, that is, the required load, and the horizontal axis N indicates the engine speed. In FIG. 11, X (N) indicates the first boundary between the first operation region I and the second operation region II, and Y (N) indicates the first operation region I and the second operation region. A second boundary with region II is shown. The change determination of the operation region from the first operation region I to the second operation region II is performed based on the first boundary X (N), and the change from the second operation region II to the first operation region I is performed. The change determination of the operation region is performed based on the second boundary Y (N).
[0043]
That is, when the engine operating state is in the first operating region I and low-temperature combustion is being performed, if the required load L exceeds the first boundary X (N) that is a function of the engine speed N, the operating region is It is determined that the operation has shifted to the second operation region II, and combustion by the conventional combustion method is performed. Next, when the required load L becomes lower than the second boundary Y (N) that is a function of the engine speed N, it is determined that the operating region has shifted to the first operating region I, and low temperature combustion is performed again.
[0044]
FIG. 12 shows the output of the air-fuel ratio sensor 21. As shown in FIG. 12, the output current I of the air-fuel ratio sensor 21 changes according to the air-fuel ratio A / F. Therefore, the air-fuel ratio can be known from the output current I of the air-fuel ratio sensor 21. Next, operation control in the first operation region I and the second operation region II will be schematically described with reference to FIG.
[0045]
FIG. 13 shows the opening degree of the throttle valve 16, the opening degree of the EGR control valve 23, the EGR rate, the air-fuel ratio, the injection timing, and the injection amount with respect to the required load L. As shown in FIG. 13, in the first operation region I where the required load L is low, the opening degree of the throttle valve 16 is gradually increased from nearly fully closed to about half-open as the required load L increases, and the EGR control valve 23 As the required load L increases, the degree of opening is gradually increased from near full close to full open. Further, in the example shown in FIG. 13, in the first operating region I, the EGR rate is approximately 70%, and the air-fuel ratio is a slightly lean air-fuel ratio.
[0046]
In other words, the opening degree of the throttle valve 16 and the opening degree of the EGR control valve 23 are controlled so that the EGR rate becomes approximately 70% in the first operation region I and the air / fuel ratio becomes a slightly lean air / fuel ratio. The air-fuel ratio at this time is controlled to the target lean air-fuel ratio by correcting the opening degree of the EGR control valve 23 based on the output signal of the air-fuel ratio sensor 21. In the first operation region I, fuel injection is performed before the compression top dead center TDC. In this case, the injection start timing θS is delayed as the required load L is increased, and the injection completion timing θE is also delayed as the injection start timing θS is delayed.
[0047]
During the idling operation, the throttle valve 16 is closed to near full close. At this time, the EGR control valve 23 is also closed to close to full close. When the throttle valve 16 is closed to close to the fully closed state, the pressure in the combustion chamber 5 at the start of compression becomes low, so the compression pressure becomes small. When the compression pressure is reduced, the compression work by the piston 4 is reduced, so that the vibration of the engine body 1 is reduced. That is, during idling operation, the throttle valve 16 is closed to close to the fully closed state in order to suppress vibration of the engine body 1.
[0048]
On the other hand, when the engine operating region changes from the first operating region I to the second operating region II, the opening of the throttle valve 16 is increased stepwise from the half-open state to the fully-open direction. At this time, in the example shown in FIG. 13, the EGR rate is decreased in a step-like manner from approximately 70% to 40% or less, and the air-fuel ratio is increased in a step-like manner. That is, since the EGR rate exceeds the EGR rate range (FIG. 9) that generates a large amount of smoke, a large amount of smoke is generated when the engine operating region changes from the first operating region I to the second operating region II. There is no.
[0049]
Conventional combustion is performed in the second operation region II. In this combustion method, soot and NO_XHowever, when the engine operating region is changed from the first operating region I to the second operating region II, the injection amount is reduced stepwise as shown in FIG. I'm damned.
[0050]
In the second operation region II, the throttle valve 16 is held in a fully open state except for a part thereof, and the opening degree of the EGR control valve 23 is gradually reduced as the required load L increases. In this operation region II, the EGR rate decreases as the required load L increases, and the air-fuel ratio decreases as the required load L increases. However, the air-fuel ratio is made a lean air-fuel ratio even when the required load L increases. In the second operation region II, the injection start timing θS is set near the compression top dead center TDC.
[0051]
FIG. 14 shows the air-fuel ratio A / F in the first operating region I. In FIG. 14, the curves indicated by A / F = 15.5, A / F = 16, A / F = 17, and A / F = 18 have air-fuel ratios of 15.5, 16, 17, and 18, respectively. Time is shown, and the air-fuel ratio between the curves is determined by proportional distribution. As shown in FIG. 14, the air-fuel ratio is lean in the first operation region I, and in the first operation region I, the air-fuel ratio A / F is leaner as the required load L becomes lower.
[0052]
That is, the lower the required load L, the smaller the amount of heat generated by combustion. Therefore, low temperature combustion can be performed even if the EGR rate is reduced as the required load L is reduced. When the EGR rate is lowered, the air-fuel ratio increases, so as shown in FIG. 14, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases. As the air-fuel ratio A / F increases, the fuel consumption rate improves. Therefore, in order to make the air-fuel ratio as lean as possible, in this embodiment, the air-fuel ratio A / F increases as the required load L decreases.
[0053]
Note that the target opening ST of the throttle valve 16 required to set the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio shown in FIG. 14 is a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 23 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio shown in FIG. 14 is stored in the ROM 32 in advance as shown in FIG. And is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of the engine speed N.
[0054]
FIG. 16 shows the target air-fuel ratio when the second combustion, that is, the normal combustion by the conventional combustion method is performed. In FIG. 16, the curves indicated by A / F = 24, A / F = 35, A / F = 45, and A / F = 60 indicate the target air-fuel ratios 24, 35, 45, and 60, respectively. The target opening ST of the throttle valve 16 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is previously stored in the ROM 32 in the form of a map as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. The target opening degree SE of the EGR control valve 23 necessary for setting the air-fuel ratio to the target air-fuel ratio is stored as a function of the required load L and the engine speed N as shown in FIG. It is stored in the ROM 32 in advance in the form of a map.
[0055]
Thus, in the diesel engine of the present embodiment, the first combustion, that is, low-temperature combustion, and the second combustion, that is, normal combustion are switched based on the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N. In each combustion, based on the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N, the opening control of the throttle valve 16 and the EGR valve is performed by the map shown in FIG.
[0056]
FIG. 18 is a plan view showing the exhaust purification apparatus of this embodiment, and FIG. 19 is a side view thereof. The exhaust purification apparatus includes a switching unit 71 connected to the downstream side of the exhaust manifold 17 via the exhaust pipe 18, NO_XNOx storage reduction catalyst device 70 and NO_XA first connection portion 72a that connects one side of the storage reduction catalyst device 70 and the switching portion 71;_XA second connection part 72 b that connects the other side of the storage reduction catalyst device 70 and the switching part 71, and an exhaust passage 73 on the downstream side of the switching part 71 are provided. The exhaust pipe 18 is provided with a fuel supply device 74 for supplying a reducing substance such as fuel to the upstream side of the switching unit 71. The switching unit 71 includes a valve body 71 a that can block the exhaust flow in the switching unit 71. The valve body 71a is driven by a negative pressure actuator or a step motor. At one blocking position of the valve body 71a, the upstream side in the switching unit 71 is communicated with the first connection part 72a and the downstream side in the switching unit 71 is communicated with the second connection part 72b. As indicated by the arrow, NO_XIt flows from one side of the storage reduction catalyst device 70 to the other side.
[0057]
FIG. 20 shows the other blocking position of the valve body 71a. At this shut-off position, the upstream side in the switching unit 71 communicates with the second connection portion 72b and the downstream side in the switching unit 71 communicates with the first connection portion 72a, and the exhaust gas is as shown by arrows in FIG. , NO_XIt flows from the other side of the storage reduction catalyst device 70 to one side. Thus, by switching the valve body 71a, NO_XThe direction of the exhaust gas flowing into the storage reduction catalyst device 70 can be reversed, that is, NO._XIt is possible to reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device 70.
[0058]
NO in FIG._XThe structure of the storage reduction catalyst device 70 is shown. In FIG. 21, (A) is NO._XIt is a front view of the storage reduction catalyst apparatus 70, (B) is side sectional drawing. As shown in these figures, this NO_XThe occlusion reduction catalyst device 70 has an oblong front shape, and is, for example, a wall flow type having a honeycomb structure formed of a porous material such as cordierite, and includes a plurality of partition walls 54 extending in the axial direction. It has a number of subdivided axial spaces. In the two adjacent axial spaces, one is closed on the exhaust downstream side by the plug 53 and the other is closed on the exhaust upstream side. Thus, one of the two adjacent axial spaces becomes the exhaust gas inflow passage 50 and the other becomes the outflow passage 51, and the exhaust gas always passes through the partition wall 54 as shown by the arrow in FIG. NO described below using alumina or the like on both side surfaces of each partition wall 54, and preferably also on the pore surface in each partition wall 54._XAn absorbent and a noble metal catalyst such as platinum Pt are supported.
[0059]
NO supported on the partition wall 54_XIn this embodiment, the absorbent is selected from an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, and cesium Cs, an alkaline earth such as barium Ba and calcium Ca, and a rare earth such as lanthanum La and yttrium Y. Is at least one. This NO_XThe absorbent is NO when the air-fuel ratio in the ambient atmosphere (the ratio of air to fuel, regardless of how much fuel is burned using oxygen in the air) is lean._XNO is absorbed when the air-fuel ratio becomes stoichiometric or rich._XNO release_XPerforms absorption and release action.
[0060]
This NO_XThe absorbent is actually NO_XThe detailed mechanism of this absorption / release action is not clear. However, this absorption / release action is considered to be performed by the mechanism shown in FIG. Next, NO about this mechanism_XThe case where platinum Pt and barium Ba are supported on the partition walls of the storage reduction catalyst device will be described as an example, but the same mechanism can be obtained by using other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths.
[0061]
Regardless of low-temperature combustion and normal combustion, when combustion is performed with the air-fuel ratio being lean, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. At this time, as shown in FIG.₂Is O₂ ^-Or O^2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.₂ ^-Or O^2-Reacts with NO₂(2NO + O₂→ 2NO₂). Then the generated NO₂As shown in FIG. 22 (A), a part of is absorbed in the absorbent while being oxidized on platinum Pt and combined with barium oxide BaO._Three ^-Diffuses into the absorbent in the form of In this way NO_XIs NO_XAbsorbed in the absorbent. NO on the surface of platinum Pt as long as the oxygen concentration in the vicinity atmosphere is high₂Is produced and NO in the absorbent_XUnless the absorption capacity is saturated, NO₂Is absorbed into the absorbent and nitrate ion NO._Three ^-Is generated.
[0062]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is made rich, the oxygen concentration decreases, and as a result, NO on the surface of platinum Pt₂The production amount of is reduced. NO₂When the production amount of NO decreases, the reaction proceeds in the reverse direction (NO_Three ^-→ NO₂) And thus nitrate ion NO in the absorbent_Three ^-Is NO₂Is released from the absorbent in the form of NO at this time_XNO released from the absorbent_XAs shown in FIG. 22 (B), it is reduced by reacting with HC, CO, etc. contained in the nearby atmosphere. In this way, NO on the surface of platinum Pt.₂NO from the absorbent to the next when no longer exists₂Is released. Therefore, when the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is made rich, NO is quickly reached._XNO from absorbent_XIs released, and this released NO_XNO in the atmosphere because_XWill not be discharged.
[0063]
In this case, even if the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is the stoichiometric air-fuel ratio, NO_XNO from absorbent_XIs released. However, in this case NO_XNO from absorbent_XNO is released only gradually_XTotal NO absorbed by the storage reduction catalyst device_XIt takes a little longer time to release.
[0064]
By the way NO_XAbsorbent NO_XAbsorption capacity is limited, NO_XAbsorbent NO_XNO before absorption capacity saturates_XNO from absorbent_XNeed to be released. That is, NO_XNO absorbed in the storage reduction catalyst device 70_XAmount is NO_XBefore reaching storage capacity, NO_XNeeds to be regenerated by reducing and purifying it._XThe amount needs to be estimated. Therefore, in this embodiment, NO per unit time when low temperature combustion is performed._XThe amount of absorption A is obtained in advance in the form of a map as shown in FIG. 23A as a function of the required load L and the engine speed N, and NO per unit time when normal combustion is performed._XThe amount of absorption B is obtained in advance in the form of a map as shown in FIG. 23B as a function of the required load L and the engine speed N, and the NO per unit time is obtained._XBy accumulating the absorption amounts A and B, NO_XNO absorbed by the storage reduction catalyst device_XThe amount is estimated. Here, NO per unit time when low temperature combustion is performed_XThe amount of absorption A is, of course, NO when low-temperature combustion is performed at a rich air-fuel ratio._XWill be released, so it has a negative value. In this embodiment, this NO_XNO when the amount of absorption exceeds a predetermined tolerance_XIn order to regenerate the storage reduction catalyst device, the low temperature combustion at the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio is performed, or the fuel is supplied using the fuel supply device 74, and thus NO._XThe atmosphere in the vicinity of the storage reduction catalyst device 70 is set to a stoichiometric air-fuel ratio or a rich air-fuel ratio, and this state is maintained at least for a time until the regeneration is completed (the shorter the air-fuel ratio in the vicinity atmosphere is shorter).
[0065]
By the way, the fuel of the internal combustion engine contains sulfur, and the SO_XIs generated. SO_XIs NO_XNO to storage reduction catalyst device 70_XIt is absorbed in the form of sulfate by the same mechanism. Since sulfate is a stable substance, it is NO even if the ambient atmosphere is rich air-fuel ratio._XIt is difficult to release from the storage reduction catalyst device and the storage amount gradually increases. NO_XThe amount of nitrate or sulfate that can be stored in the storage reduction catalyst device is finite, NO._XIf the storage amount of sulfate in the storage reduction catalyst device increases (hereinafter referred to as SO_X(Referred to as poisoning), the amount of nitrate that can be stored decreases, and finally, NO_XCannot absorb.
[0066]
Therefore, in this embodiment, the first flowchart shown in FIG._XSO of the storage reduction catalyst device 70_XIt has come to recover poisoning. This flowchart is repeated every predetermined time. First, in step 101, SO_XIt is determined whether or not it is a recovery time that requires recovery from poisoning. For this determination, for example, the amount of fuel consumed so far can be integrated and the fact that this integrated fuel amount has reached a set amount can be used. In the above-described reproduction process, NO_XThe air-fuel ratio on the exhaust upstream side of the storage reduction catalyst device is made rich, but during regeneration, NO or other reducing substances such as HC are released._XNO for use in reduction purification of NO_XThe air-fuel ratio downstream of the storage reduction catalyst device is close to the stoichiometric air-fuel ratio. However, when playback is complete, NO_XThe air-fuel ratio on the downstream side of the storage reduction catalyst device is substantially equal and richer than the air-fuel ratio on the upstream side. If playback time is detected using this, SO_XThe recovery time of poisoning can be determined. Because SO needs recovery_XIf poisoning is in progress, NO during the regeneration period_XThis is because the amount of absorption is actually small and the regeneration time is short.
[0067]
If the determination in step 101 is negative, the process ends as it is. If the determination is positive, the process proceeds to step 102 where fuel is supplied by the fuel supply device 74. At this time, when low-temperature combustion is performed, the combustion air-fuel ratio is made lean, and even if fuel is supplied so that the exhaust gas contains a relatively large amount of oxygen, NO_XAs a result, the atmosphere in the vicinity of the storage reduction catalyst device 70 has a lean air-fuel ratio. Thus, NO_XSufficient oxygen and fuel are supplied to the storage reduction catalyst device 70, and this fuel is mainly NO._XAt the exhaust inlet portion of the storage reduction catalyst device, combustion is favorably started by the oxidation catalyst carried thereon.
[0068]
FIG. 25 shows NO by combustion of such fuel._XIt is a figure which shows the temperature change of each part of an occlusion reduction catalyst apparatus. In the figure, the solid line indicates the temperature of each part immediately after the start of combustion of the fuel._XOnly the exhaust inlet portion of the storage reduction catalyst device has a good temperature rise. A dotted line indicates each part temperature immediately after each part temperature indicated by a solid line, and a one-dot chain line indicates each temperature immediately after each part temperature indicated by a dotted line. As indicated by the dotted line and the alternate long and short dash line, the heat that has raised the temperature of the exhaust inlet moves to the central part and further to the exhaust outlet along with the exhaust gas flow. As a result, the exhaust outlet is relatively good. Although the temperature is raised, the temperature at the exhaust inlet is only slightly raised.
[0069]
Depending on the supplied fuel, such NO_XIf the temperature increase of the storage reduction catalyst device is repeated, NO including the exhaust inlet is included._XThe entire storage reduction catalyst device can be gradually heated. SO_XSulfate, the source of poisoning, is a stable substance, but NO_XIf the occlusion reduction catalyst device is at a high temperature of about 600 ° C., the oxygen concentration is reduced by setting the ambient atmosphere as the theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, thereby reducing the SO concentration._XCan be released as Therefore, SO_XNO for recovery from poisoning_XAlthough it is necessary to raise the temperature of the entire storage reduction catalyst device to about 600 ° C., as described above, if the temperature is gradually raised, a long time is required.
[0070]
In this flowchart, in step 103, the valve body 71a is switched every first set time, and NO._XThe exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device are reversed. This first set time is, for example, ten or more seconds, and this is NO._XThe combustion heat is at least longer than the time from when the predetermined amount of fuel starts burning at the exhaust inlet of the storage reduction catalyst device until the temperature of the exhaust downstream reaches the highest temperature as described above. Therefore, when the valve body 71a is switched, NO_XThe exhaust inlet part of the storage reduction catalyst device, that is, the exhaust outlet part so far, has a relatively high temperature, and further fuel starts to burn very well at the hot exhaust inlet part, as described above. In addition, the exhaust outlet is further heated.
[0071]
Of course, even if the valve body is switched once, the NO is relatively good._XThe temperature of the entire storage reduction catalyst device can be raised. However, in step 104, NO_XIt is determined whether or not the temperature TF of the storage reduction catalyst device has exceeded 600 ° C. When this is denied, the fuel supply and the switching of the valve body are repeated. In this way, fuel is always supplied to the exhaust outlet that has been heated relatively well._XThe entire storage reduction catalyst device can be heated to the desired temperature very quickly. NO here_XThe temperature TF of the storage reduction catalyst device is NO_XThe temperature may be estimated based on the exhaust gas temperature discharged from the storage reduction catalyst device.For example, the temperature of any of the exhaust inlet, the center, and the exhaust outlet may be detected, and all these temperatures may be detected. These average or minimum temperatures may be detected and used.
[0072]
NO_XIf the storage reduction catalyst device is heated to 600 ° C., the determination in step 104 is affirmed and the process proceeds to step 105 where more fuel than the fuel supplied in step 102 is supplied._XThe atmosphere in the vicinity of the storage reduction catalyst device 70 results in a stoichiometric air fuel ratio, or preferably a rich air fuel ratio. As a result, NO_XFrom the storage reduction catalyst device to SO_XRelease of this SO_XIs reduced and purified. Then, in step 106, NO_XIt is determined whether or not the temperature TF of the storage reduction catalyst device exceeds 700 ° C. Initially NO_XSince the temperature of the storage reduction catalyst device has just exceeded 600 ° C., this determination is denied and the routine proceeds to step 107. Where NO_XThe temperature TF of the storage reduction catalyst device is NO_XThe temperature may be estimated based on the exhaust gas temperature discharged from the storage reduction catalyst device.For example, the temperature of any of the exhaust inlet, the center, and the exhaust outlet may be detected, and all these temperatures may be detected. These average temperatures or maximum temperatures may be detected and used.
[0073]
In step 107, the valve body 71a is switched every second set time, and NO._XThe exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device 70 are reversed. The second set time is, for example, several seconds. By doing this, NO_XFuel can be supplied alternately to both of the storage reduction catalyst devices, NO_XSO released at the exhaust inlet of the storage reduction catalyst_XIs being stored again at the exhaust outlet portion, the exhaust outlet portion is supplied with fuel as an exhaust inlet portion._XCan be reduced and purified before storage. Thus, NO_XSO of the entire storage reduction catalyst unit_XPoisoning can be completed in a short time.
[0074]
Next, at step 109, for example, an air-fuel ratio sensor is provided in each of the first connection portion 72a and the second connection portion 72b, and it is determined whether the outputs A1 and A2 of these air-fuel ratio sensors are substantially equal. That is, NO_XIt is determined whether the air-fuel ratio on the exhaust upstream side of the storage reduction catalyst device 70 is substantially equal to the air-fuel ratio on the exhaust downstream side. When this judgment is affirmed, reducing substances such as HC_XThat is not used for reduction purification of SO, ie SO_XThe poisoning recovery is complete. However, immediately after switching the valve body, the air-fuel ratio on the exhaust downstream side remains rich, and the air-fuel ratio is detected immediately before switching the valve body or after a while after switching the valve body. It is preferable to do. Of course, instead of the determination in step 109, when the fuel supply time in step 105 reaches the set time, SO_XThe poisoning recovery may be completed.
[0075]
When this determination is affirmed, the fuel supply is stopped and the switching of the valve body is stopped at step 110, but when the determination is negative, the processing after step 105 described above is repeated. However, this SO_XIn the poisoning recovery process, the air / fuel ratio of the ambient atmosphere is rich, so it does not occur much, but during the switching of the valve body, if NO_XIf the fuel starts to burn in the storage reduction catalyst device, as described above, NO_XThe temperature of the occlusion reduction catalyst device is raised satisfactorily. As a result, NO_XWhen the temperature of the occlusion reduction catalyst device exceeds 700 ° C., the oxidation catalyst such as platinum Pt causes sintering and the function deteriorates. In order to prevent this, when the determination in step 106 is affirmative, switching of the valve body is stopped in step 108. Canceling the switching of the disc_XIn order to prolong the poisoning recovery time, as described above, SO_XWhen the set time is used to complete the poisoning recovery, the set time needs to be increased as the valve switching stop time is longer.
[0076]
In this flowchart, NO_XTemperature rise of the storage reduction catalyst device (step 102) and SO_XThe fuel is supplied to the emission reduction (step 105) by the fuel supply device. However, as described above, during low temperature combustion, the exhaust gas contains a relatively large amount of reducing substances such as HC and CO. Instead of supplying, low-temperature combustion at a lean air-fuel ratio may be performed at step 102, and low-temperature combustion at a rich air-fuel ratio may be performed at step 105. Further, the fuel may be injected in the exhaust stroke using an engine fuel injection valve.
[0077]
In the present embodiment, the fuel supply device is arranged on the upstream side of the switching unit 71, and by switching the valve body, a single fuel supply device can be used for NO._XFuel can be supplied to either side of the storage reduction catalyst device 70. However, on the other hand, a part of the fuel in one connection portion 72a or 72b that is on the exhaust upstream side becomes NO on the exhaust downstream side when the valve body is switched._XThe exhaust gas is discharged to the exhaust passage 73 without passing through the storage reduction catalyst device. In order to prevent this, a fuel supply device is provided in both the first connection portion 72a and the second connection portion 72b, and the connection on the exhaust upstream side after switching of the valve body is performed by either fuel supply device. If only the fuel is supplied to the_XFuel consumption for poisoning recovery can be significantly reduced.
[0078]
Incidentally, as described above, the diesel engine of the present embodiment switches between low-temperature combustion and normal combustion, and soot, that is, particulates are hardly generated during low-temperature combustion, but relatively large during normal combustion. Particulates are generated. Since this particulate is also a harmful substance, its release to the atmosphere must be suppressed.
[0079]
This NO_XThe occlusion reduction catalyst device 70 is a wall flow type as described above. Thereby, the particulates in the exhaust gas are very small compared to the size of the pores of the partition wall 54, but on the exhaust upstream surface of the partition wall 54 when the exhaust gas passes through the partition wall 54. And it collides on the pore surface in the partition 54, and is collected. In this way, this NO_XThe storage reduction catalyst device 70 can cause each partition wall 54 to function as a collection wall for collecting particulates. Of course, if you do not intend to collect particulates, NO_XThe occlusion reduction catalyst device may not be a wall flow type, that is, the stopper 53 may be omitted in FIG.
[0080]
Particulates collected in this way, if not, NO_XIt gradually accumulates on the occlusion reduction catalyst device 70 to increase the exhaust resistance, and finally adversely affects the vehicle running. Therefore, this NO_XEach partition wall of the occlusion reduction catalyst device carries an active oxygen release agent and a noble metal catalyst described below using alumina or the like on both side surfaces, and preferably on the pore surfaces.
[0081]
The active oxygen release agent is an agent that promotes oxidation of particulates by releasing active oxygen. Preferably, oxygen is taken in and retained when excess oxygen is present in the surroundings, and the oxygen concentration in the surroundings is increased. When lowered, the retained oxygen is released in the form of active oxygen.
[0082]
As the noble metal catalyst, platinum Pt is usually used, and as the active oxygen release agent, alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr are used. At least one selected from alkaline earth metals, lanthanum La, rare earth such as yttrium Y, and transition metals is used.
[0083]
In this case, as the active oxygen release agent, alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr are used. preferable.
[0084]
Next, NO carrying such an active oxygen release agent_XHow the collected particulates are oxidized and removed by the partition walls of the storage reduction catalyst device will be described by taking platinum Pt and potassium K as an example. The same particulate removal action can be performed using other noble metals, alkali metals, alkaline earth metals, rare earths, and transition metals.
[0085]
In a diesel engine, combustion is usually performed under excess air, and therefore the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, when the ratio of air and fuel supplied to the intake passage and the combustion chamber is referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas, the air-fuel ratio is lean. Further, since NO is generated in the combustion chamber, the exhaust gas contains NO.
The fuel also contains sulfur S, which reacts with oxygen in the combustion chamber to react with SO.₂It becomes. Therefore, in the exhaust gas, SO₂It is included. Therefore excess oxygen, NO and SO₂Exhaust gas containing NO_XIt flows into the exhaust upstream side of the storage reduction catalyst device 70.
[0086]
26A and 26B show NO._XThe enlarged view of the exhaust gas contact surface in the partition of the storage reduction catalyst apparatus 70 is represented typically. 26A and 26B, 60 indicates platinum Pt particles, and 61 indicates an active oxygen release agent containing potassium K.
[0087]
As described above, since the exhaust gas contains a large amount of excess oxygen, the exhaust gas is NO._XWhen contacting the exhaust gas contact surface of the partition wall of the storage reduction catalyst device, as shown in FIG.₂Is O₂ ^-Or O^2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.₂ ^-Or O^2-Reacts with NO₂(2NO + O₂→ 2NO₂). Then the generated NO₂A part of N is oxidized on platinum Pt and absorbed in the active oxygen release agent 61 and combined with potassium K, as shown in FIG._Three ^-Diffused into the active oxygen release agent 61 in the form of potassium nitrate KNO_ThreeIs generated.
[0088]
On the other hand, as described above, the exhaust gas contains SO.₂Is also included, this SO₂Is absorbed into the active oxygen release agent 61 by the same mechanism as NO. That is, as described above, oxygen O₂Is O₂ ^-Or O^2-Is attached to the surface of platinum Pt in the form of SO₂Is O on the surface of platinum Pt.₂ ^-Or O^2-Reacts with SO_ThreeIt becomes. The generated SO_ThreeIs partly oxidized on platinum Pt while being absorbed in the active oxygen release agent 61 and combined with potassium K, sulfate ions SO._Four ^2-Diffused into the active oxygen release agent 61 in the form of potassium sulfate K₂SO_FourIs generated. In this way, potassium nitrate KNO is contained in the active oxygen release catalyst 61._ThreeAnd potassium sulfate K₂SO_FourIs generated.
[0089]
The particulates in the exhaust gas are NO, as indicated by 62 in FIG._XIt adheres on the surface of the active oxygen release agent 61 carried on the storage reduction catalyst device. At this time, the oxygen concentration at the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen release agent 61 decreases. When the oxygen concentration is lowered, a difference in concentration occurs between the active oxygen release agent 61 having a high oxygen concentration, and therefore oxygen in the active oxygen release agent 61 is brought into contact with the particulate 62 and the active oxygen release agent 61. Try to move towards. As a result, potassium nitrate KNO formed in the active oxygen release agent 61_ThreeIs decomposed into potassium K, oxygen O, and NO, oxygen O goes to the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen release agent 61, and NO is released from the active oxygen release agent 61 to the outside. NO released to the outside is oxidized on the platinum Pt on the downstream side, and is again absorbed in the active oxygen release agent 61.
[0090]
On the other hand, potassium sulfate K formed in the active oxygen release agent 61 at this time₂SO_FourAlso potassium K, oxygen O and SO₂The oxygen O is directed to the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen release agent 61, and SO₂Is released from the active oxygen release agent 61 to the outside. SO released to the outside₂Is oxidized on the platinum Pt on the downstream side and is absorbed again into the active oxygen release agent 61. However, potassium sulfate K₂SO_FourIs stabilized, potassium nitrate KNO_ThreeIt is difficult to release active oxygen compared to.
[0091]
On the other hand, the oxygen O toward the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen release agent 61 is potassium nitrate KNO._ThreeAnd potassium sulfate K₂SO_FourIt is oxygen decomposed from a compound such as Oxygen O decomposed from the compound has high energy and has extremely high activity. Therefore, the oxygen directed toward the contact surface between the particulate 62 and the active oxygen release agent 61 is active oxygen O. When these active oxygen O comes into contact with the particulate 62, the particulate 62 is oxidized in a short time of several minutes to several tens of minutes without emitting a luminous flame. Further, the active oxygen O that oxidizes the particulate 62 is transferred to the active oxygen release agent 61 by NO and SO.₂Is also released when is absorbed. That is, NO_XNitrate ions NO in the active oxygen release agent 61 while repeatedly binding and separating oxygen atoms_Three ^-The active oxygen is generated during this period. The particulate 62 is also oxidized by this active oxygen. Also like this NO_XThe particulates 62 adhering to the partition walls of the storage reduction catalyst device 70 are oxidized by the active oxygen O, but these particulates 62 are also oxidized by oxygen in the exhaust gas.
[0092]
By the way, platinum Pt and active oxygen release agent 61 are NO._XSince the higher the temperature of the storage reduction catalyst device is, the more active oxygen O released from the active oxygen release agent 61 per unit time is NO._XIt increases as the temperature of the storage reduction catalyst device increases. As a matter of course, the higher the temperature of the particulate itself, the easier it is to be removed by oxidation. Therefore NO_XThe amount of fine particles that can be removed by oxidation on the occlusion reduction catalyst device without oxidizing a particulate flame per unit time is NO._XIt increases as the temperature of the storage reduction catalyst device increases.
[0093]
The solid line in FIG. 27 indicates the amount of fine particles G that can be removed by oxidation without emitting a luminous flame per unit time. In FIG. 27, the horizontal axis indicates NO._XThe temperature TF of the storage reduction catalyst device is shown. FIG. 27 shows the amount of fine particles G that can be removed by oxidation when the unit time is 1 second, that is, 1 second, but an arbitrary time such as 1 minute or 10 minutes is adopted as the unit time. be able to. For example, when 10 minutes is used as the unit time, the oxidizable and removable fine particle amount G per unit time represents the oxidizable and removable fine particle amount G per 10 minutes._XThe amount of fine particles G that can be removed by oxidation without emitting a luminous flame per unit time on the storage reduction catalyst device 70 is NO as shown in FIG._XIt increases as the temperature of the storage reduction catalyst device 70 increases.
[0094]
Now, when the amount of particulate discharged from the combustion chamber per unit time is referred to as discharged particulate amount M, when this discharged particulate amount M is smaller than the oxidizable and removable particulate amount G, for example, the amount of particulate discharged per second. When M is smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation per second, or when the amount M of fine particles discharged per 10 minutes is smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation 10 minutes, that is, in the region I in FIG. All particulates discharged from the room are NO_XThe occlusion reduction catalyst device 70 can be oxidized and removed in a short time sequentially without generating a bright flame.
[0095]
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 in FIG. 27, the amount of active oxygen is insufficient to sequentially oxidize all the particulates. FIGS. 28A to 28C show the state of particulate oxidation in such a case.
[0096]
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the particulates, if the particulates 62 adhere on the active oxygen release agent 61 as shown in FIG. Particulate part that was oxidized only and not fully oxidized was NO_XIt remains on the exhaust upstream side of the storage reduction catalyst device. Next, when the state where the amount of active oxygen is insufficient continues, the particulate portion that has not been oxidized from one to the next remains on the exhaust upstream surface. As a result, as shown in FIG._XThe exhaust upstream surface of the storage reduction catalyst device is covered with the residual particulate portion 63.
[0097]
Such residual particulate portion 63 gradually changes to a carbonaceous material that is difficult to oxidize, and when the exhaust upstream surface is covered with the residual particulate portion 63, NO and SO by platinum Pt.₂The active oxygen release action by the active oxygen release agent 61 is suppressed. Accordingly, the residual particulate portion 63 can be gradually oxidized over time, but another particulate 64 is placed on the residual particulate portion 63 from the next to the next as shown in FIG. And deposit. That is, when the particulates are deposited in a laminated form, these particulates are separated from platinum Pt and the active oxygen release agent, so that even if the particulates are easily oxidized, they are oxidized by active oxygen. Absent. Therefore, further particulates are deposited on the particulate 64 one after another. That is, if the state in which the amount M of discharged particulates is larger than the amount G of particulates that can be removed by oxidation continues to be NO_XParticulates are deposited in a stacked manner on the storage reduction catalyst device.
[0098]
Thus, in the region I of FIG._XOxidized in a short time without emitting a bright flame on the occlusion reduction catalyst device. In region II of FIG._XIt accumulates in a laminated form on the storage reduction catalyst device. Therefore, if the relationship between the amount M of discharged particulates and the amount G of particulates that can be removed by oxidation is in the region I, NO_XIt is possible to prevent the accumulation of particulates on the storage reduction catalyst device. As a result, NO_XThe pressure loss of the exhaust gas flow in the storage reduction catalyst device 70 is maintained at a substantially constant minimum pressure loss value without any change. Thus, a reduction in engine output can be kept to a minimum. However, this is not always possible and if nothing is done NO_XParticulates may accumulate on the storage reduction catalyst device.
[0099]
In the present embodiment, switching control of the valve body 71a is performed by the electronic control unit 30 according to the second flowchart shown in FIG._XAccumulation of a large amount of particulates on the storage reduction catalyst device is prevented. This flowchart is repeated every predetermined time. First, in step 201, the vehicle travel distance integrated value A is calculated. In step 202, it is determined whether or not the travel distance integrated value A has reached the set travel distance As. When this determination is negative, the process is terminated as it is, but when the determination is affirmative, the routine proceeds to step 203 and the travel distance integrated value A is reset to 0. Then, in step 204, the valve body 71a is changed from one of the two shut-off positions to the other. Switch. That is, NO_XThe exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device are reversed.
[0100]
FIG. 30 shows NO._XIt is an expanded sectional view of the partition 54 of an occlusion reduction catalyst apparatus. While the vehicle travels the set travel distance As, the operation in the region II of FIG. 27 may be performed, and as shown by the grid in FIG. 30A, the partition wall 54 on which the exhaust gas mainly collides. The exhaust upstream surface of the exhaust gas and the exhaust gas flow facing surface in the pores collect and collide particulates as one collection surface, and oxidize and remove with an active oxygen release agent, but this oxidation removal becomes insufficient. Particulates may remain. At this point, NO_XAlthough the exhaust resistance of the storage reduction catalyst device does not adversely affect vehicle travel, if particulates accumulate, problems such as a significant decrease in engine output occur. In the second flowchart, NO at this point_XThe exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device are reversed. As a result, no further particulate is deposited on the particulate remaining on one collecting surface of the partition wall 54, and the remaining particulate is gradually oxidized and removed by the active oxygen released from the one collecting surface. Is done. Further, the particulates remaining in the pores of the partition walls are easily destroyed and fragmented by the exhaust gas flow in the opposite direction, and move downstream as shown in FIG.
[0101]
As a result, many of the finely divided particulates are dispersed in the pores of the partition walls, i.e., the particulates flow and directly with the active oxygen release agent supported on the pore inner surfaces of the partition walls. There are many opportunities for contact and oxidation removal. In this way, by supporting the active oxygen release agent in the pores of the partition walls, the residual particulates can be remarkably easily removed by oxidation. Further, in addition to this oxidation removal, the other collection surface of the partition wall 54 that has become upstream due to the backflow of the exhaust gas, that is, the exhaust upstream surface of the partition wall 54 where the exhaust gas mainly collides and the inside of the pores On the exhaust gas flow facing surface (which is on the side opposite to the one collecting surface), new particulates in the exhaust gas adhere and are oxidized and removed by the active oxygen released from the active oxygen release agent. . A part of the active oxygen released from the active oxygen release agent during the oxidation removal moves to the downstream side together with the exhaust gas, and the remaining particulates are oxidized and removed by the backflow of the exhaust gas.
[0102]
That is, the residual particulates on one collecting surface in the partition wall are not only for the active oxygen released from this collecting surface, but also for the oxidation removal of the particulates on the other collecting surface of the partition wall by the backflow of exhaust gas. The remaining active oxygen used comes from the exhaust gas. As a result, even if particulates are accumulated to some extent on one collecting surface of the partition wall at the time of switching of the valve body, if the exhaust gas flows backward, the particulates accumulated on the residual particulates In addition to the arrival of active oxygen, no further particulates are deposited, so the deposited particulates are gradually oxidized and removed. Oxidation removal is possible. In this way, when the first collection surface and the second collection surface are alternately used for collecting particulates, each collection surface is always compared to the case where particulates are always collected by a single collection surface. NO in order to be able to reduce the amount of particulates collected in the catalyst and to be advantageous for the oxidation removal of particulates._XParticulates do not accumulate in the storage reduction catalyst device, and NO_XClogging of the storage reduction catalyst device can be prevented.
[0103]
In the second flowchart, the switching of the valve body is performed for each set travel distance._XThe valve body is switched before the residual particulates on the occlusion reduction catalyst device are transformed into a carbonaceous material that is difficult to be oxidized. Also, removing particulates by oxidation before a large amount of particulates is deposited means that a large amount of accumulated particulates are ignited and burned at a time to generate a large amount of combustion heat._XThis also prevents problems such as melting of the storage reduction catalyst device. Also, for some reason, NO_XEven if a large amount of particulates accumulates on one collection surface of the storage-reduction catalyst device partition wall, if the valve body is switched, the deposited particulates are relatively easily destroyed and subdivided by the exhaust gas flow in the reverse direction. Therefore, some of the finely divided particulates that could not be oxidized and removed within the pores of the partition walls are NO._XIt will be discharged from the storage reduction catalyst device, but NO_XThe exhaust resistance of the storage reduction catalyst device is further increased and does not adversely affect the vehicle running._XNew particulates can be collected by the other collection surface of the storage reduction catalyst device partition wall.
[0104]
Thus, if the valve body is switched for each set travel distance, NO_XAccumulation of a large amount of particulates on the storage reduction catalyst device can be reliably prevented. The switching timing of the valve body for this purpose is not limited for each set travel distance, and may be set every set time or irregularly, for example.
[0105]
NO_XNO depending on the amount of particulates remaining and deposited on the storage reduction catalyst device_XUtilizing the fact that the differential pressure between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device 70 increases, when this differential pressure exceeds the set differential pressure,_XThe valve body may be switched on the assumption that a certain amount of particulates is accumulated on the storage reduction catalyst device. Specifically, NO_XThe exhaust pressure on one side of the storage reduction catalyst device 70, that is, the exhaust pressure in the first connection portion 72a (see FIG. 18) is detected by a pressure sensor disposed in the first connection portion 72a, and NO._XThe exhaust pressure on the other side of the storage reduction catalyst device, that is, the exhaust pressure in the second connection portion 72b (see FIG. 18) is detected by a pressure sensor disposed in the second connection portion 72b, and the difference between these exhaust pressures. It is determined whether or not the absolute value of the pressure is equal to or greater than the set pressure difference. Here, the absolute value of the differential pressure is used because it is possible to grasp the increase in the differential pressure regardless of which of the first connection portion 72a and the second connection portion 72b is on the exhaust upstream side. NO_XStrictly speaking, since the differential pressure on both sides of the storage reduction catalyst device also changes depending on the exhaust gas pressure exhausted from the cylinder for each engine operating state, the engine operating state is specified in the judgment of particulate accumulation. It is preferable to do.
[0106]
In addition to this differential pressure, for example, NO_XThe change of the electrical resistance value on the predetermined partition wall of the storage reduction catalyst device is monitored, and when the electrical resistance value becomes lower than the set value due to the accumulation of particulates,_XThe valve body may be switched on the assumption that a certain amount of particulates is accumulated on the storage reduction catalyst device. NO_XIn the predetermined partition wall of the storage reduction catalyst device, the valve body may be switched by utilizing the fact that the light transmittance is lowered or the light reflectance is lowered due to the accumulation of particulates. As described above, by directly determining the accumulation of particulates and switching the valve body, it is possible to prevent the engine output from greatly decreasing more reliably.
[0107]
In addition, in order to prevent the accumulation of a large amount of particulates, the SO in the first flowchart can be obtained without intentionally switching the valve body as described above._XIn the poisoning recovery process, the shut-off position of the valve body at the start may be switched at the end.
[0108]
As described above, this exhaust purification device has a very simple configuration and is NO._XIt is possible to reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device. NO_XIn the occlusion reduction catalyst device, a large opening area is required to facilitate the inflow of exhaust gas. However, in the present exhaust purification device, as shown in FIGS. NO with a large opening area_XAn occlusion reduction catalyst device can be used.
[0109]
Further, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas is lowered, the active oxygen O is released from the active oxygen release agent 61 to the outside at once. With the active oxygen O released at once, the deposited particulates are easily oxidized and easily removed by oxidation.
[0110]
On the other hand, when the air-fuel ratio is maintained lean, the surface of platinum Pt is covered with oxygen, and so-called oxygen poisoning of platinum Pt occurs. When such oxygen poisoning occurs, NO_XNO is reduced due to reduced oxidation_XAs a result, the active oxygen release amount from the active oxygen release agent 61 is reduced. However, when the air-fuel ratio is made rich, oxygen on the platinum Pt surface is consumed, so that oxygen poisoning is eliminated. Therefore, when the air-fuel ratio is switched again from rich to lean, NO._XNO to increase the oxidation effect on_XAs a result, the active oxygen release amount from the active oxygen release agent 61 increases.
[0111]
Accordingly, when the air-fuel ratio is maintained lean, the oxygen poisoning of platinum Pt is eliminated every time the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich, so that active oxygen release when the air-fuel ratio is lean is performed. The amount increases, so NO_XThe oxidizing action of the particulates on the storage reduction catalyst device 70 can be promoted.
[0112]
Furthermore, the elimination of this oxygen poisoning is, so to speak, the combustion of reducing substances, so NO is generated with heat generation._XThe temperature of the storage reduction catalyst device is raised. As a result, NO_XThe amount of fine particles that can be removed by oxidation in the storage reduction catalyst device is improved, and the residual and deposited particulates can be easily removed by oxidation. NO by valve body 71a_XIf the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich immediately after switching between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device, no particulates remain._XThe other collection surface of the storage-reduction catalyst device partition wall is more likely to release active oxygen than one collection surface, so that a larger amount of the released active oxygen causes residual particulates on one collection surface. Can be more reliably oxidized and removed. Of course, the air-fuel ratio of the exhaust gas may occasionally be made rich regardless of the switching of the valve body 71a._XParticulates are difficult to remain and accumulate on the storage reduction catalyst device.
[0113]
As a method for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas, for example, the low-temperature combustion described above may be performed. Of course, when switching from normal combustion to low-temperature combustion, or prior to that, NO_XIt is also possible to switch between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device. Further, in order to make the air-fuel ratio of the exhaust gas rich, the combustion air-fuel ratio may be simply made rich. In addition to normal main fuel injection in the compression stroke, fuel may be injected into the cylinder (post-injection) in the exhaust stroke or expansion stroke by the engine fuel injection valve, or fuel in the cylinder in the intake stroke. May be jetted (bi-rubber jet). Of course, it is not always necessary to provide an interval between the post injection or the big rubber injection and the main fuel injection. It is also possible to supply fuel to the engine exhaust system.
[0114]
By the way, calcium Ca in the exhaust gas is SO._ThreeIn the presence of calcium sulfate CaSO_FourIs generated. This calcium sulfate CaSO_FourIs difficult to oxidize and remove, NO_XIt will remain as ash on the storage reduction catalyst device. Therefore, NO due to residual calcium sulfate._XIn order to prevent clogging of the occlusion reduction catalyst device, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal, such as potassium K, which has a higher ionization tendency than calcium Ca, as the active oxygen release agent 61, and thereby active oxygen SO diffused into the release agent 61_ThreeBinds potassium K and potassium sulfate K₂SO_FourCalcium Ca is SO_ThreeNO without combining with_XIt passes through the partition wall of the storage reduction catalyst device. Therefore NO_XThe occlusion reduction catalyst device is not clogged by ash. Thus, as described above, as the active oxygen release agent 61, an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, strontium Sr is used. Is preferred.
[0115]
Moreover, NO as an active oxygen release agent_XEven if only the noble metal such as platinum Pt is supported on the storage reduction catalyst device, NO retained on the surface of platinum Pt.₂Or SO_ThreeActive oxygen can be released from However, in this case, the solid line indicating the amount of fine particles G that can be removed by oxidation moves slightly to the right as compared with the solid line shown in FIG. It is also possible to use ceria as the active oxygen release agent. Ceria absorbs oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas is high (Ce₂O_Three→ 2CeO₂), Active oxygen is released when the oxygen concentration in the exhaust gas decreases (2CeO)₂→ Ce₂O_ThreeTherefore, it is necessary to enrich the air-fuel ratio in the exhaust gas regularly or irregularly in order to oxidize and remove particulates. Instead of ceria, iron or tin may be used.
[0116]
Moreover, NO in exhaust gas as an active oxygen release agent_XNO used for purification_XIt is also possible to use an occlusion reduction catalyst. In this case, NO_XOr SO_XIn order to release the exhaust gas, it is necessary to at least temporarily enrich the air-fuel ratio of the exhaust gas._XIt is preferable to carry out after the reverse of the upstream side and the downstream side of the storage reduction catalyst device.
[0117]
In this example, NO_XThe occlusion reduction catalyst device itself carries the active oxygen release agent, and the particulates are oxidized and removed by the active oxygen released by the active oxygen release agent. However, this does not limit the present invention. For example, active oxygen and particulate oxides such as nitrogen dioxide that function equivalently to active oxygen are NO._XEven if it is released from the storage reduction catalyst device or the substance supported on it, NO from the outside_XIt may be allowed to flow into the storage reduction catalyst device. Even when particulate oxide material flows in from the outside, by using the first collection surface and the second collection surface of the collection wall alternately to collect the particulates, Particulates are not newly deposited on one of the collected surfaces, and the deposited particulates are gradually oxidized and removed by the particulate oxidizing component flowing in from the other collecting surface. Can be sufficiently oxidized and removed in a certain time. In the meantime, the other collecting surface is oxidized by the particulate oxidation component together with the collection of the particulates, and thus the same effect as described above is brought about. Also in this case, NO_XIncreasing the temperature of the storage reduction catalyst device makes it easy to oxidize and remove the particulates themselves by increasing their temperature.
[0118]
The diesel engine of the present embodiment is switched between low-temperature combustion and normal combustion, but this does not limit the present invention. Of course, a diesel engine that performs only normal combustion or a particulate is used. The present invention is also applicable to a gasoline engine that discharges.
[0119]
【The invention's effect】
  As described above, according to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, it is disposed in the engine exhaust system and the NO is when the ambient atmosphere is a lean air-fuel ratio._XWhen the stoichiometric or rich air-fuel ratio is absorbed, NO_XNO release_XNOx storage reduction catalyst device and NO_XReversing means for reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device, NO_XA supply means for supplying a reducing substance from the exhaust upstream side to the storage reduction catalyst device, and NO_XSO of storage reduction catalyst device_XFor recovery from poisoning,NO _X When raising the entire storage reduction catalyst to the first set temperature,By supply meansNO _X Combustion in the occlusion reduction catalyst deviceReducing substance is supplied and NO by reverse means_XThe exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device are reversed. The reducing material thus supplied is NO_XAlthough combustion occurs at the exhaust inlet of the storage reduction catalyst device, the temperature of the exhaust outlet is mainly raised satisfactorily as a result of the movement of heat by the exhaust gas flow. Thereby, NO reverse_XIf the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the storage reduction catalyst device are reversed, the fuel is supplied to the exhaust inlet that has been heated at a high temperature, that is, the exhaust outlet so far. And the temperature of the exhaust inlet is increased and the temperature of the exhaust outlet is increased satisfactorily._XQuick NO for recovery from poisoning_XThe entire storage reduction catalyst deviceFirst settingThe temperature can be raised.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a diesel engine equipped with an exhaust emission control device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of the combustion chamber of FIG.
FIG. 3 is a bottom view of the cylinder head of FIG. 1;
FIG. 4 is a side sectional view of a combustion chamber.
FIG. 5 is a diagram showing intake / exhaust valve lift and fuel injection.
FIG. 6 Smoke and NO_XFIG.
FIG. 7A is a graph showing a change in combustion pressure when the air-fuel ratio is around 21 and the amount of smoke generated is the largest; B is a combustion pressure when the air-fuel ratio is around 18 and the amount of smoke generated is almost zero. It is a figure which shows a change.
FIG. 8 is a diagram showing fuel molecules.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the amount of smoke generated and the EGR rate.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the amount of injected fuel and the amount of mixed gas.
FIG. 11 is a diagram showing a first operation region I and a second operation region II.
FIG. 12 is a diagram showing an output of an air-fuel ratio sensor.
FIG. 13 is a diagram showing an opening degree of a throttle valve and the like.
14 is a view showing an air-fuel ratio in a first operating region I. FIG.
15A is a diagram showing a map of a target opening of a throttle valve, and B is a diagram showing a map of a target opening of an EGR control valve. FIG.
FIG. 16 is a diagram showing an air-fuel ratio in the second combustion.
FIG. 17A is a diagram showing a map of a target opening of a throttle valve, and B is a diagram showing a map of a target opening of an EGR control valve.
FIG. 18 shows a switching unit and NO in the engine exhaust system._XIt is a top view of the storage reduction catalyst apparatus vicinity.
FIG. 19 is a side view of FIG. 18;
FIG. 20 is a view showing another blocking position different from that of FIG. 18 of the valve body in the switching unit.
FIG. 21: NO_XIt is a figure which shows the structure of an occlusion reduction catalyst apparatus.
FIG. 22 NO_XIt is a figure for demonstrating the absorption-and-release function of.
FIG. 23: NO per unit time_XIt is a figure which shows the map of absorption amount.
FIG. 24 NO_XSO of storage reduction catalyst device_XIt is a 1st flowchart for poisoning recovery | restoration.
FIG. 25: NO_XIt is a figure which shows the temperature change of each part of an occlusion reduction catalyst apparatus.
FIG. 26 is a diagram for explaining the oxidizing action of particulates.
FIG. 27: NOx amount capable of oxidation removal and NO_XIt is a figure which shows the relationship with the temperature of an occlusion reduction catalyst apparatus.
FIG. 28 is a diagram for explaining the particulate deposition action.
FIG. 29: NO_XIt is a 2nd flowchart for preventing accumulation of a large amount of particulates on a storage reduction catalyst device.
FIG. 30 NO_XIt is an expanded sectional view of the partition of an occlusion reduction catalyst device.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
16 ... Throttle valve
71 ... switching part
70 ... NO_XOcclusion reduction catalyst device
74 ... Fuel supply device

Claims

A NO _x storage reduction catalyst device that is disposed in the engine exhaust system and absorbs NO _x when the ambient atmosphere is at a lean air fuel ratio and releases NO _x when the atmosphere is at a stoichiometric or rich air fuel ratio, and the NO _x storage reduction catalyst device exhaust upstream side and the downstream side of exhaust gas and reversing means for reversing a, comprising a supply means for supplying reducing agent from the exhaust upstream side to the _the NO _X storage reduction catalyst device, wherein _the NO _X storage reduction catalyst In order to recover the SO _X poisoning of the apparatus, when the temperature of the entire NO _X storage reduction catalyst is raised to the first set temperature, the reducing means to be burned in the NO _X storage reduction catalyst apparatus is supplied by the supply means An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, wherein the exhaust gas upstream side and the exhaust gas downstream side of the NO _x storage reduction catalyst device are reversed by the reverse rotation means.

When it is predicted that the temperature of the _the NO _X storage reduction catalyst device becomes or when the first set temperature or higher becomes the first preset temperature or more, the _the NO _X storage reduction catalyst device near the atmosphere or the stoichiometric air-fuel ratio of supplying reducing agent by the supply device so that rich air-fuel ratio, repeating the reversal of the exhaust upstream side of the _the NO _X storage reduction catalyst device by the reversing means and the exhaust downstream side, of the _the NO _X storage reduction catalyst device when the temperature is predicted to the _the NO _X storage reduction catalyst device carried on the oxidation catalyst becomes time or the second preset temperature or more has become the second set temperature or causing sintering, said by the reversing means NO _2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the reverse rotation of the exhaust gas upstream side and the exhaust gas downstream side of the _X storage reduction catalyst device is stopped.

The NO _x storage reduction catalyst device has a collection wall for collecting particulates in exhaust gas, the particulates collected by the collection wall are oxidized, and the collection wall is a first wall. A collection surface and a second collection surface, and the reverse means reverses the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the NO _x storage reduction catalyst device to collect the particulates. The exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the first collection surface and the second collection surface of the collection wall are used alternately.

4. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 3, wherein an active oxygen release agent is supported on the collection wall, and the active oxygen released from the active oxygen release agent oxidizes the particulates.

5. The active oxygen release agent takes in oxygen and retains oxygen when excess oxygen is present in the surrounding area, and releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. 2. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to 1.

The active oxygen release agent combines NO _x with oxygen when excess oxygen is present in the vicinity to hold NO _x , and combines the combined NO _x and oxygen into NO _x and active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 4, wherein the exhaust gas purification apparatus is decomposed and discharged.