專利名稱：內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置。
背景技術(shù)：
在內(nèi)燃機特別是柴油機的廢氣中包含有以碳黑為主成分的微粒(パテイキュレ-ト)。微粒為有害物質(zhì)，所以，提出有在發(fā)動機排氣系中設(shè)置用于在排放到大氣以前對微粒進行捕集的過濾器的方案。這樣的過濾器為了防止網(wǎng)目堵塞導(dǎo)致的排氣阻力的增加，需要將捕集的微粒焚燒。
在進行這樣的過濾器再生時，微粒如為約600℃則著火燃燒，但柴油機的廢氣溫度通常比600℃低，所以一般需要對過濾器自身加熱等的裝置。
日本特公平7-106290號公報公開了這樣的內(nèi)容，即如將白金族金屬和堿土金屬氧化物載置于過濾器，則過濾器上的微粒在柴油機的通常的廢氣溫度即約400℃連續(xù)焚燒。
然而，即使使用該過濾器，廢氣溫度也不總是處于400℃左右，另外，根據(jù)運行狀態(tài)的不同，也可能從柴油機排放出大量的微粒，在各時間不能焚燒的微?？赡苈卦谶^濾器上堆積。
在該過濾器中，當(dāng)微粒堆積到某種程度時，由于微粒焚燒能力極度下降，所以，仍不能自身再生過濾器。這樣，當(dāng)僅是將這種過濾器配置到發(fā)動機排氣系時，則可能在較早時期產(chǎn)生網(wǎng)目堵塞。
發(fā)明的公開因此，本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，該廢氣凈化裝置可由微粒過濾器良好地將捕集到的微粒氧化除去，防止微粒過濾器的網(wǎng)目堵塞。
按照本發(fā)明，提供一種內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，該廢氣凈化裝置具有使捕集到的微粒氧化的微粒過濾器和使上述微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)的逆轉(zhuǎn)裝置，上述微粒過濾器具有用于捕集微粒的捕集壁，上述捕集壁具有第1捕集面和第2捕集面，由上述逆轉(zhuǎn)裝置使上述微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)，從而為了捕集微粒而交替使用上述捕集壁的上述第1捕集面和上述第2捕集面，上述微粒過濾器具有用于廢氣的流出入的第1開口部和第2開口部，在消聲器上游側(cè)配置于排氣管內(nèi)，上述微粒過濾器的上述第1開口部與上述第2開口部之間的周圍部至少部分地與上述排氣管內(nèi)的廢氣流接觸。
附圖的簡單說明

圖1為具有本發(fā)明廢氣凈化裝置的柴油機的示意縱斷面圖。
圖2為圖1的燃燒室的放大縱斷面圖。
圖3為圖1的氣缸蓋的底面圖。
圖4為燃燒室的側(cè)面斷面圖。
圖5為示出進排氣閥的提升量與燃料噴射的圖。
圖6為示出黑煙和NOX的發(fā)生量等的圖。
圖7(A)為示出空燃比在21附近、黑煙的發(fā)生量最多時的燃燒壓力變化的圖。
圖7(B)為示出空燃比在18附近、黑煙的發(fā)生量基本為零時的燃燒壓力變化的圖。
圖8為示出燃料分子的圖。
圖9為示出黑煙的發(fā)生量與EGR率的關(guān)系的圖。
圖10為示出噴射燃料量與混合氣體量的關(guān)系的圖。
圖11為示出第1運行區(qū)域I和第2運行區(qū)域II的圖。
圖12為示出空燃比傳感器的輸出的圖。
圖13為示出節(jié)氣門的開度等的圖。
圖14為示出第1運行區(qū)域I的空燃比的圖。
圖15(A)示出節(jié)氣門的目標(biāo)開度的圖。
圖15(B)示出EGR控制閥的目標(biāo)開度的圖。
圖16為示出第2燃燒的空燃比的圖。
圖17(A)示出節(jié)氣門的目標(biāo)開度的圖。
圖17(B)示出EGR控制閥的目標(biāo)開度的圖。
圖18為示出本發(fā)明內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置的斷面平面圖。
圖19為圖18的P-P斷面圖。
圖20(A)為示出微粒過濾器的構(gòu)造的正面圖。
圖20(B)為示出微粒過濾器的構(gòu)造的側(cè)面斷面圖。
圖21(A)和圖22(B)為用于說明微粒的氧化作用的圖。
圖22為示出可氧化除去微粒子量與微粒過濾器溫度的關(guān)系的圖。
圖23(A)、圖23(B)、及圖23(C)為用于說明微粒的堆積作用的圖。
圖24為用于防止微粒在微粒過濾器的堆積的第1流程圖。
圖25(A)和圖25(B)為微粒殘留時的微粒過濾器的分隔壁的放大斷面圖。
圖26為用于防止微粒在微粒過濾器的堆積的第2流程圖。
圖27為用于防止微粒在微粒過濾器的堆積的第3流程圖。
圖28為示出圖18的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置的變型例的斷面平面圖。
實施發(fā)明的最佳形式圖1示出具有本發(fā)明廢氣凈化裝置的4沖程柴油機的示意縱斷面圖，圖2為圖1的柴油機的燃燒室放大縱斷面圖，圖3為圖1的柴油機的氣缸蓋底面圖。參照圖1-圖3可知，符號1為發(fā)動機本體，符號2為氣缸體，符號3為氣缸蓋，符號4為活塞，符號5a為形成于活塞4頂面上的腔室，符號5為形成于腔室5a內(nèi)的燃燒室，符號6為電控式燃料噴射閥，符號7為一對進氣門，符號8為進氣孔，符號9為一對排氣門，符號10為排氣孔。進氣孔8通過對應(yīng)的進氣歧管11連接到輔助水箱12，輔助水箱12通過進氣管13連接到空氣濾清器14。在進氣管13內(nèi)配置由電動馬達15驅(qū)動的節(jié)氣門16。另一方面，排氣孔10連接到排氣歧管17。
如圖1所示，在排氣歧管17內(nèi)配置空燃比傳感器21。排氣歧管17與輔助水箱12通過EGR通道22相互連接，在EGR通道22內(nèi)配置電控式EGR控制閥23。另外，在EGR通道22周圍配置用于冷卻在EGR通道22內(nèi)流動的EGR氣體的冷卻裝置24。在圖1所示實施例中，將發(fā)動機冷卻水導(dǎo)入至冷卻裝置24內(nèi)，由發(fā)動機冷卻水冷卻EGR氣體。
另一方面，各燃料噴射閥6通過燃料供給管25連接到燃料箱即所謂的共軌(コモンレ-ル)26。從電控式的排出量可變的燃料泵27將燃料供給到該共軌26內(nèi)，供給到共軌26內(nèi)的燃料通過各燃料供給管25供給到燃料噴射閥6。在共軌26安裝用于檢測出共軌26內(nèi)的燃料壓力的燃料壓力傳感器28，根據(jù)燃料壓力傳感器28的輸出信號使共軌26內(nèi)的燃料壓力成為目標(biāo)燃料壓力地控制燃料泵27的排出量。
符號30為電子控制裝置，輸入空燃比傳感器21的輸出信號和燃料壓力傳感器28的輸出信號。另外，在加速踏板40連接用于產(chǎn)生與加速踏板40的踏下量L成比例的輸出電壓的負荷傳感器41，在電子控制裝置30還輸入負荷傳感器41的輸出信號，另外，還輸入當(dāng)曲軸例如每進行30°回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生輸出脈沖的曲柄角傳感器42的輸出信號。這樣，電子控制裝置30根據(jù)各種信號使燃料噴射閥6、電動馬達15、EGR控制閥23、及燃料泵27作動。
如圖2和圖3所示，在本發(fā)明的實施例中，燃料噴射閥6由具有6個噴口的孔式噴嘴構(gòu)成，從燃料噴射閥6的噴口朝相對水平稍朝下的方向以相等角度間隔噴射燃料F。如圖3所示，在6個燃料噴霧F中，2個燃料噴霧F沿著各排氣門9的閥體的下側(cè)面飛濺。圖2和圖3示出在壓縮行程末期進行燃料噴射時的狀態(tài)。此時，燃料噴霧F朝腔室5a的內(nèi)周面行進，然后著火燃燒。
圖4示出在排氣行程中當(dāng)排氣門9的提升量最大時從燃料噴射閥6噴射追加的燃料的場合。即，如圖5所示那樣，在壓縮上止點附近進行主噴射Qm，接著，大體在排氣行程中噴射追加的燃料Qa。在該場合，朝排氣門9的閥體方向前進的燃料噴霧F朝著排氣門9的傘部背面與排氣孔10之間。即，換言之，如燃料噴射閥6的6個噴口中的2個噴口在排氣門9開閥時進行追加的燃料Qa的噴射，則燃料噴霧F朝著排氣門9的傘部背面與排氣孔10間地形成。在圖4所示實施例中，此時燃料噴霧F沖擊到排氣門9的傘部背面，與排氣門9的傘部背面沖擊的燃料噴霧F在排氣門9的傘部背面上反射，流向排氣孔10內(nèi)。
通常不噴射追加的燃料Qa，僅進行主噴射Qm。圖6示出在進行發(fā)動機低負荷運行時使節(jié)氣門16的開度和EGR率變化從而改變空燃比A/F(圖6的橫軸)時的輸出扭矩變化、及黑煙、HC、CO、NOX的排出量變化的實驗例。由圖6可知，在該實驗例中，空燃比A/F越小，則EGR率越大，當(dāng)在理論空燃比(14.6)以下時，EGR率在65％以上。
如圖6所示那樣，如通過增大EGR率減小空燃比A/F，則EGR率在40％附近、空燃比A/F在30左右時，黑煙的發(fā)生量開始增大。當(dāng)進一步提高EGR率、減小空燃比A/F時，黑煙的發(fā)生量急劇增大，達到峰值。當(dāng)進一步提高EGR率、減小空燃比A/F時，黑煙急劇下降，當(dāng)EGR率在65％以上、空燃比A/F在15.0附近時，黑煙大體為零。即，基本上不產(chǎn)生碳黑。此時發(fā)動機的輸出扭矩稍下降，另外，NOX的發(fā)生量變得非常低。另一方面，此時HC和CO的發(fā)生量開始增大。
圖7(A)示出空燃比A/F在21附近、黑煙的發(fā)生量最多時的燃燒室5內(nèi)的燃燒壓力變化，圖7(B)示出空燃比A/F在18附近、黑煙發(fā)生量大體為零時的燃燒室5內(nèi)的燃燒壓力的變化。比較圖7(A)和圖7(B)可知，黑煙發(fā)生量大體為零的圖7(B)所示場合與黑煙發(fā)生量多的圖7(A)所示場合相比燃燒壓力低。
由圖6和圖7所示實驗結(jié)果可得到以下結(jié)論。即，第1，當(dāng)空燃比A/F在15.0以下、黑煙的發(fā)生量基本上為零時，如圖6所示那樣，NOX的發(fā)生量下降很多。NOX的發(fā)生量下降意味著燃燒室5內(nèi)的燃燒溫度下降，因此，當(dāng)碳黑基本上不發(fā)生時，可以說燃燒室5內(nèi)的燃燒溫度變低。由圖7也可得到相同結(jié)論。即，在基本上不產(chǎn)生碳黑的圖7(B)所示狀態(tài)下燃燒壓力變低，因此，此時燃燒室5內(nèi)的燃燒溫度變低。
第2，當(dāng)黑煙的發(fā)生量即碳黑的發(fā)生量基本上為零時，如圖6所示那樣，HC和CO的排出量增大。這意味著烴不成長為碳黑地排出。即，包含于燃料中的由圖8示出的那樣的直鏈狀烴和芳香族烴在氧不足的狀態(tài)下使溫度上升時，產(chǎn)生熱分解，形成碳黑的前驅(qū)體，接著生成主要由碳原子集合的固體構(gòu)成的碳黑。在該場合，實際的碳黑的生成過程較復(fù)雜，碳黑的前驅(qū)體為怎樣的形式雖然不明確，但不管怎樣，圖8所示那樣的烴經(jīng)過碳黑的前驅(qū)體成長為碳黑。因此，當(dāng)如上述那樣碳黑的發(fā)生量基本為零時，如圖6所示那樣，雖然HC和CO的排出量增大，但此時的HC為碳黑的前驅(qū)體或其之前的狀態(tài)的烴。
歸納基于圖6和圖7所示實驗結(jié)果的這些考察可得知，當(dāng)燃燒室5內(nèi)的燃燒溫度低時，碳黑的發(fā)生量基本為零，此時，碳黑的前驅(qū)體或其之前的狀態(tài)的烴從燃燒室5排出。對此進行更為詳細的實驗研究后可知，在燃燒室5內(nèi)的燃料和其周圍的氣體溫度在某一溫度以下的場合，碳黑的成長過程在途中停止，即完全不產(chǎn)生碳黑，當(dāng)燃燒室5內(nèi)的燃料和其周圍的溫度在某一溫度以下時，生成碳黑。
在碳黑的前驅(qū)體的狀態(tài)下停止烴的生成過程時的燃料和其周圍的溫度即上述某一溫度隨燃料種類、空燃比、及壓縮比等多種因素的不同而變化，所以，不能說為幾度，但該某一溫度與NOX的發(fā)生量具有較深的關(guān)系，因此，該某一溫度可根據(jù)NOX的發(fā)生量在某種程度上加以規(guī)定。即，EGR率越大則燃燒時的燃料和其周圍的氣體溫度下降越多，NOX的發(fā)生量下降。此時，如NOX的發(fā)生量在10p.p.m左右或在其以下則基本上不產(chǎn)生碳黑。因此，上述某一溫度大體與NOX發(fā)生量在10p.p.m前后或其以下時的溫度一致。
一旦生成碳黑，該碳黑不能由僅是使用具有氧化功能的催化劑的后處理加以凈化。而碳黑的前驅(qū)體或其之前的狀態(tài)的烴可由使用了具有氧化功能的催化劑的后處理容易地凈化。這樣，降低NOX的發(fā)生量，同時，以碳黑的前驅(qū)體或其之前的狀態(tài)從燃燒室5排出烴對廢氣的凈化極為有效。
為了在生成碳黑之前的狀態(tài)下停止烴的成長，需要將燃燒室5內(nèi)的燃燒時的燃料和其周圍的氣體溫度抑制在比碳黑生成的溫度低的溫度?？梢缘弥?，在該場合，對于燃料及其周圍的氣體溫度的抑制，燃料燃燒時對燃料周圍的氣體的吸熱作用影響極大。
即，當(dāng)在燃料周圍僅存在空氣時，蒸發(fā)的燃料立即與空氣中的氧反應(yīng)而燃燒。在該場合，離開燃料較遠的空氣的溫度并不上升太多，僅燃料周圍的溫度局部地變得極高。即，此時離開燃料較遠的空氣基本上不對燃料的燃燒熱產(chǎn)生吸熱作用。在該場合，由于燃燒溫度局部極高，所以，接收該燃燒熱的未燃烴生成碳黑。
另一方面，當(dāng)在大量的惰性氣體和少量的空氣的混合氣體中存在燃料的場合，狀況有一些不同。在該場合，蒸發(fā)燃料擴散到周圍，與混于惰性氣體中的氧產(chǎn)生反應(yīng)而燃燒。在該場合，燃燒熱被吸收到周圍的惰性氣體中，所以燃燒溫度不上升太多。即，可將燃燒溫度抑制得較低。即，抑制燃燒溫度時，惰性氣體的存在起到重要的作用，由惰性氣體的吸熱作用可將燃燒溫度抑制得較低。
在該場合，為了將燃料及其周圍的氣體溫度抑制到比碳黑生成溫度低的溫度，需要可吸收足夠的熱量的惰性氣體量。因此，如燃料量增大，則需要的惰性氣體量隨之增大。在該場合，惰性氣體的比熱越大，則吸熱作用越強，因此，最好惰性氣體為比熱大的氣體。對于這一點，由于CO2和EGR氣體的比熱較大，所以，可以說使用EGR氣體作為惰性氣體較好。
圖9示出使用EGR氣體作為惰性氣體、改變EGR氣體的冷卻程度時的EGR率與黑煙的關(guān)系。即，在圖9中，曲線A示出強力地冷卻EGR氣體將EGR氣體溫度維持在大體90℃的場合，曲線B示出由小型冷卻裝置冷卻EGR氣體的場合，曲線C示出不對EGR氣體進行強制冷卻的場合。
如圖9的曲線A所示那樣，在對EGR氣體進行強力冷卻的場合，在EGR率比50％稍低處碳黑的發(fā)生量出現(xiàn)峰值，在該場合，EGR率如在55％以上，則碳黑基本上不發(fā)生。另一方面，如圖9的曲線B所示那樣，在對EGR氣體稍進行冷卻的場合，在EGR率比50％稍高時碳黑的發(fā)生量呈現(xiàn)峰值，在該場合，如使EGR率在大體65％以上，則基本上不產(chǎn)生碳黑。
另外，如圖9的曲線C所示那樣，在不對EGR氣體進行強制冷卻的場合，在EGR率處于55％附近時碳黑的發(fā)生量呈現(xiàn)峰值，在該場合，如使EGR率大體在70％以上，則基本上不產(chǎn)生碳黑。圖9示出發(fā)動機負荷較高時的黑煙的發(fā)生量，當(dāng)發(fā)動機負荷變小時，碳黑的發(fā)生量為峰值的EGR率稍有下降，碳黑基本上不產(chǎn)生的EGR率的下限也稍下降。這樣，碳黑基本上不產(chǎn)生的EGR率的下限相應(yīng)于EGR氣體的冷卻程度和發(fā)動機負荷變化。
圖10示出將EGR氣體用作惰性氣體的場合下為了使燃燒時的燃料及其周圍的氣體溫度為比碳黑生成溫度低的溫度所需EGR氣體與空氣的混合氣體量、該混合氣體量中的空氣的比例、及該混合氣體中的EGR氣體的比例。在圖10中，縱軸示出吸入到燃燒室5內(nèi)的全吸入氣體量，點劃線Y示出不進行增壓時可吸入到燃燒室5內(nèi)的全吸入氣體量。另外，橫軸示出要求負荷，Z1示出負荷運行區(qū)域。
參照圖10可看出，空氣的比例即混合氣體中的空氣量示出使噴射的燃料完全燃燒所需的空氣量。即，在圖10所示場合，空氣量與噴射燃料量的比為理論空燃比。另一方面，在圖10中，EGR氣體的比例即混合氣體中的EGR氣體量示出當(dāng)噴射燃料燃燒時使燃料和其周圍的氣體溫度比碳黑形成溫度低的溫度所需最低限度的EGR氣體量。該EGR氣體量用EGR率表示時大體在55％以上，在圖10所示實施例中，在70％以上。即，在圖10中，吸入到燃燒室5內(nèi)的全吸入氣體量為實線X，如該全吸入氣體量X中的空氣量與EGR氣體量的比例為圖10所示那樣的比例，則燃料和其周圍的氣體溫度成為比碳黑生成溫度低的溫度，從而使碳黑完全不產(chǎn)生。另外，此時的NOX發(fā)生量在10p.p.m左右，或在其以下，因此，NOX的發(fā)生量極少。
如燃料噴射量增大，則燃料燃燒時的發(fā)熱量增大，所以，為了將燃料及其周圍的氣體溫度維持在比碳黑生成溫度低的溫度，必須增大由EGR氣體吸收的熱量。因此，如圖10所示那樣，EGR氣體量必須隨著噴射燃料量增大而增大。即EGR氣體量需要隨著需求負荷變大而增大。
另一方面，在圖10的負荷區(qū)域Z2中，阻止碳黑的發(fā)生所需全吸入氣體量X超過可吸入的全吸入氣體量Y。因此，在該場合，為了將阻止碳黑的產(chǎn)生所需全吸入氣體量X供給到燃燒室5內(nèi)，需要對EGR氣體和吸入空氣雙方或EGR氣體進行增壓或加壓。當(dāng)不對EGR氣體等進行增壓或加壓時，在負荷區(qū)域Z2全吸入氣體量X與可吸入的全吸入氣體量Y一致。因此，在該場合，為了阻止碳黑的產(chǎn)生，使空氣量稍減少，增大EGR氣體量，同時，在濃空燃比的狀態(tài)下使燃料燃燒。
如上述那樣，圖10示出在理論空燃比的狀態(tài)下使燃料燃燒的場合，但即使在圖10所示低負荷運行區(qū)域Z1中使空氣量比圖10所示空氣量少，即空燃比變濃，也可阻止碳黑的發(fā)生，同時使NOX的發(fā)生量在10p.p.m左右或其以下，另外，即使在圖10所示低負荷運行區(qū)域Z1中使空氣量比圖10所示空氣量多，即空燃比的平均值稀到17-18，也可阻止碳黑的發(fā)生，而且可使NOX的發(fā)生量在10p.p.m左右或其以下。
即，空燃比濃時，燃料過剩，但由于燃燒溫度被抑制到較低的溫度，所以，過剩的燃料不成長為碳黑，從而不生成碳黑。另外，此時NOX也僅產(chǎn)生極少量。另一方面，當(dāng)平均空燃比稀時，或空燃比為理論空燃比時，如燃燒溫度不高，則生成少量的碳黑，但在本發(fā)明中，由于將燃燒溫度抑制到較低的溫度，所以，完全不會生成碳黑。另外，NOX也僅生成極少量。
這樣，在發(fā)動機低負荷運行區(qū)域Z1中，不論空燃比如何，即不論空燃比濃或為理論空燃比，或平均空燃比較稀，都不發(fā)生碳黑，NOX的發(fā)生量極少。因此，當(dāng)考慮到燃料消費率的提高時，最好使此時的平均空燃比較稀。
可是，將燃燒室內(nèi)的燃燒時的燃料和其周圍的氣體溫度抑制在使烴的成長停止于途中的溫度以下限于燃燒產(chǎn)生的發(fā)熱量較少的發(fā)動機負荷較低的場合。因此，在本發(fā)明的實施例中，當(dāng)發(fā)動機負荷較低時，將燃燒時的燃料及其周圍的氣體溫度抑制在使烴的成長停止于途中的溫度以下，進行第1燃燒即低溫燃燒，當(dāng)發(fā)動機負荷較高時，進行第2燃燒即過去一般進行的燃燒。在這里，對于第1燃燒即低溫燃燒，如由這之前的說明可得知的那樣，指燃燒室內(nèi)的惰性氣體量比碳黑發(fā)生量最大時的最差惰性氣體量多從而基本上不產(chǎn)生碳黑的燃燒，第2燃燒即過去一般進行的燃燒指燃燒室內(nèi)的惰性氣體量比碳黑的發(fā)生量最大時的最差惰性氣體量少的燃燒。
圖11示出進行第1燃燒即低溫燃燒的第1運行區(qū)域I和進行第2燃燒即按過去的燃燒方法的燃燒的第2燃燒區(qū)域II。在圖11中，縱軸L示出加速踏板40的踏下量即要求負荷，橫軸N示出發(fā)動機轉(zhuǎn)速。另外，在圖11中，X(N)示出第1運行區(qū)域I與第2運行區(qū)域II的第1邊界，Y(N)示出第1運行區(qū)域I與第2運行區(qū)域II的第2邊界。從第1運行區(qū)域I到第2運行區(qū)域II的運行區(qū)域的變化判斷根據(jù)第1邊界X(N)進行，從第2運行區(qū)域II到第1運行區(qū)域I的運行區(qū)域的變化判斷根據(jù)第2邊界Y(N)進行。
即，當(dāng)發(fā)動機的運行狀態(tài)處于第1運行區(qū)域I進行低溫燃燒時，如要求負荷L超過作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)的第1邊界X(N)時，判斷運行區(qū)域轉(zhuǎn)移到第2運行區(qū)域II，進行按照過去的燃燒方法的燃燒。接著，當(dāng)要求負荷L比作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)的第2邊界Y(N)低時，判斷運行區(qū)域轉(zhuǎn)移到第1運行區(qū)域I，再次進行低溫燃燒。
圖12示出空燃比傳感器21的輸出。如圖12所示那樣，空燃比傳感器21的輸出電流I相應(yīng)于空燃比A/F變化。因此，可從空燃比傳感器21的輸出電流I得知空燃比。下面，參照圖13大概地說明第1運行區(qū)域I和第2運行區(qū)域II的運行控制。
圖13示出與要求負荷L對應(yīng)的節(jié)氣門16的開度、EGR控制閥23的開度、EGR率、空燃比、噴射時刻和噴射量。如圖13所示那樣，在要求負荷L低的第1運行區(qū)域I中，節(jié)氣門16的開度隨著要求負荷L變高而從全閉附近緩慢增大到半開程度，EGR控制閥23的開度隨著要求負荷L變高而從全閉附近緩慢增大到全開。另外，在圖13所示例中，在第1運行區(qū)域I，EGR率大體為70％，空燃比成為很小的稀空燃比。
換言之，在第1運行區(qū)域I中，EGR率大體為70％，使空燃比為很小的稀空燃比地控制節(jié)氣門16的開度和EGR控制閥23的開度。此時的空燃比根據(jù)空燃比傳感器21的輸出信號修正EGR控制閥23的開度，從而控制為目標(biāo)稀空燃比。另外，在第1運行區(qū)域I，在壓縮上止點TDC前進行燃料噴射。在該場合，噴射開始時刻θS隨著要求負荷L變大而延遲，噴射結(jié)束時刻θE也隨著噴射開始時刻θS延遲而延遲。
在怠速運行時，節(jié)氣門16閉閥到接近全閉，此時EGR控制閥23也關(guān)閉到全閉附近。當(dāng)使節(jié)氣門16關(guān)閉到接近全閉時，由于開始壓縮的燃燒室5內(nèi)的壓力變低，所以，壓縮壓力變小。當(dāng)壓縮壓力變小時，活塞4的壓縮工作量變小，所以發(fā)動機本體1的振動變小。即，怠速運行時為了抑制發(fā)動機本體1的振動使節(jié)氣門16閉閥到全閉附近。
另一方面，當(dāng)發(fā)動機運行區(qū)域從第1運行區(qū)域I變化到第2運行區(qū)域II時，節(jié)氣門16的開度從半開狀態(tài)朝全開方向以臺階狀增大。此時在圖13所示例中，EGR率以臺階狀從大體70％減少到40％以下，空燃比以臺階狀增大。即，由于EGR率跳過發(fā)生大量的黑煙的EGR率范圍(圖9)，所以，當(dāng)發(fā)動機的運行區(qū)域從第1運行區(qū)域I變化到第2運行區(qū)域II時，不會產(chǎn)生大量的黑煙。
在第2運行區(qū)域II，進行過去進行的燃燒。在該燃燒方法中，雖然產(chǎn)生一些碳黑和NOX，但與低溫燃燒相比，熱效率高，因此，當(dāng)發(fā)動機的的運行區(qū)域從第1運行區(qū)域I變化到第2運行區(qū)域II時，如圖13所示那樣使噴射量以臺階狀減少。
在第2運行區(qū)域II，節(jié)氣門16除了一部分外保持為全開狀態(tài)，EGR控制閥23的開度隨著要求負荷L變大而逐漸變小。在該運行區(qū)域II中，EGR率隨著要求負荷L變高而降低，空燃比隨著要求負荷L增大而減小。即使要求負荷L變高空燃比也為稀空燃比。另外，在第2運行區(qū)域II，噴射開始時刻θS在壓縮上止點TDC附近。
圖14示出第1運行區(qū)域I的空燃比A/F。在圖14中，由A/F＝15.5、A/F＝16、A/F＝17、A/F＝18示出的各曲線分別示出空燃比為15.5、16、17、18時，各曲線間的空燃比按比例分配確定。如圖14所示那樣，在第1運行區(qū)域I中，空燃比較稀，另外，在第1運行區(qū)域I中，要求負荷L越低則空燃比A/F越稀。
即要求負荷L越低則燃燒產(chǎn)生的發(fā)熱量越少。因此，即使隨要求負荷L變低使EGR率降低，也可進行低溫燃燒。當(dāng)EGR率下降時，空燃比變大，因此，如圖14所示那樣，隨著要求負荷L變低，空燃比A/F增大?？杖急華/F越大，燃料消費率越高，因此，為了盡可能地使空燃比稀，在本實施例中隨著要求負荷L降低使空燃比A/F增大。
使空燃比為圖14所示目標(biāo)空燃比所需節(jié)氣門16的目標(biāo)開度ST如圖15(A)所示那樣作為要求負荷L和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)以圖的形式預(yù)先存儲于ROM32內(nèi)，使空燃比為圖14所示目標(biāo)空燃比所需EGR控制閥23的目標(biāo)開度SE如圖15(B)所示那樣，作為要求負荷L和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)以圖的形式預(yù)先存儲于ROM32內(nèi)。
圖16示出進行第2燃燒即按照現(xiàn)有的燃燒方法的普通燃燒時的目標(biāo)空燃比。在圖16中，由A/F＝24、A/F＝35、A/F＝45、A/F＝60示出的各曲線分別示出目標(biāo)空燃比24、35、45、60。為了使空燃比為該目標(biāo)空燃比所需要的節(jié)氣門16的目標(biāo)開度ST，如圖17(A)所示那樣作為要求負荷L和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)以圖的形式預(yù)先存儲于ROM32內(nèi)，使空燃比為該目標(biāo)空燃比所需要的EGR控制閥23的目標(biāo)開度SE如圖17(B)所示那樣，作為要求負荷L和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)以圖的形式預(yù)先存儲于ROM32內(nèi)。
這樣，在本實施例的柴油機中，根據(jù)加速踏板40的踏下量L和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N，切換第1燃燒即低溫燃燒和第2燃燒即普通燃燒，在各燃燒根據(jù)加速踏板40的踏下量L和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N按圖15或圖17所示圖實施節(jié)氣門16和EGR閥的開度控制。
圖18為示出廢氣凈化裝置的斷面平面圖，圖19為圖18的P-P斷面圖。本廢氣凈化裝置連接到緊接排氣歧管17下游側(cè)的部位，位于發(fā)動機排氣系中的處于大氣開口端的消聲器上游側(cè)較遠部位。本發(fā)明排氣凈化裝置具有排氣管71，該排氣管71具有分別連接到排氣歧管17和下游側(cè)排氣通道的第1小直徑部分71a和第2小直徑部分71b及位于第1小直徑部分71a與第2小直徑部分71b之間的大直徑部分71c。大直徑部分71c的兩端具有切頭圓錐狀，連接到第1小直徑部分71a和第2小直徑部分71b。
大直徑部分71c內(nèi)由朝長度方向延伸的相互平行的2個壁部72a、72b在長度方向上分成3部分，形成位于兩側(cè)的第1流路73a和第2流路73b及位于中央的第3流路73c。在這里，從第1小直徑部分71a流入的廢氣全部流入到第3流路73c。在大直徑部分71c內(nèi)貫通雙方的壁部71a、72b配置具有長圓正面形狀的微粒過濾器70并使微粒過濾器的中心軸線相對大直徑部分71c的中心軸線直交。
微粒過濾器70具有用于廢氣的流出入的第1開口部70a和第2開口部70b，該第1開口部70a與第1流路73a連通，第2開口部70b與第2流路73b連通。上述微粒過濾器的中心軸線意味著通過該第1開口部70a和第2開口部70b的中心軸線。微粒過濾器70的第1開口部70a和第2開口部70b如在后面詳細說明的那樣分別由多個開口構(gòu)成。另外，由微粒過濾器70的第1開口部70a與第2開口部70b之間的周圍部沿上下部分地分割第3流路73c，流過第3流路的廢氣接觸著微粒過濾器70的周圍部70c流動。
另外，在大直徑部分71c的下游側(cè)端部配置可回轉(zhuǎn)的閥體74。在由實線示出的閥體74的第1位置，將第3流路73c連通到第1流路73a，同時將第2流路73b連通到第2小直徑部分71b。這樣，廢氣如實線箭頭所示那樣，從第3流路73c流經(jīng)第1流路73a，再從微粒過濾器70的第1開口部70a通過到第2開口部70b，經(jīng)過第2流路73b流出到第2小直徑部分71b。另外，在由1點劃線示出的閥體74的第2位置，使第3流路73c連通到第2流路73b，同時，將第1流路73a連通到第2小直徑部分71b。這樣，廢氣如1點劃線所示那樣，從第3流路73c流經(jīng)第2流路73b，再從微粒過濾器70的第2開口部70b通過到第1開口部70a，經(jīng)由第1流路73a流出到第2小直徑部分71b。
這樣，通過將閥體74從第1位置和第2位置中的一方切換到另一方，從而可使微粒過濾器70的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)。另外，也可通過使閥體74處于第1位置與第2位置間的開放位置，使廢氣從第3流路73c不通過微粒過濾器70地流出到第2小直徑部分71b，旁通微粒過濾器70。
這樣，本廢氣凈化裝置可由非常簡單的構(gòu)成使微粒過濾器的排氣上游側(cè)與排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)。另外，微粒過濾器為了使廢氣的流入容易需要大的開口面積，但在本廢氣凈化裝置中，由于微粒過濾器的開口部沿排氣管的長度方向配置，所以，可不使車輛搭載性惡化地使用具有大的開口面積的微粒過濾器。
圖20示出微粒過濾器70的構(gòu)造。在圖20中，(A)為微粒過濾器70的正面圖，即圖19的Q向視圖，(B)為側(cè)面斷面圖。如這些圖所示，本微粒過濾器70如上述那樣具有長圓正面形狀，例如為由堇青石(コ一ジライト)那樣的多孔質(zhì)材料形成的呈蜂窩構(gòu)造的壁流(ウオ一ルフロ一)型，具有由多個沿軸線方向延伸的分隔壁54細分的多個軸線方向空間。在鄰接的2個軸線空間，由塞53使一方在排氣下游側(cè)閉塞，使另一方在排氣上游側(cè)閉塞。這樣，鄰接的2個軸線方向空間的一方成為廢氣的流入通道50，另一方面成為流出通道51，廢氣如在圖20(B)中由箭頭示出的那樣，必然通過分隔壁54。廢氣中的微粒與分隔壁54的細孔大小相比非常地小，但沖擊在分隔壁54的排氣上游側(cè)表面和分隔壁54內(nèi)的細孔表面上而被捕集。這樣，各分隔壁54作為捕集微粒的捕集壁起作用。在本微粒過濾器70中，為了將捕集到的微粒氧化除去，在分隔壁54的兩側(cè)表面上和分隔壁54內(nèi)的細孔表面上使用氧化鋁等載置以下說明的活性氧放出劑和貴金屬催化劑。
活性氧放出劑用于放出活性氧促進微粒的氧化，最好當(dāng)在周圍存在過剩的氧時取入氧對氧進行保持，而且在周圍的氧濃度下降時以活性氧的形式將保持的氧放出。
作為貴金屬催化劑，使用白金Pt，作為活性氧放出劑，使用從鉀K、鈉Na、鋰Li、銫Cs、銣Rb那樣的堿金屬、鋇Ba、鈣Ca、鍶Sr那樣的堿土類金屬、鑭La、釔Y那樣的稀土類、及過渡性金屬中選擇的至少1種。
在該場合，作為活性氧放出劑，最好使用離子化傾向比鈣Ca更高的堿金屬或堿土類金屬，即鉀K、鋰Li、銫Cs、銣Rb、鋇Ba、鍶Sr。
下面，以白金Pt和鉀K的場合為例說明如何由載置這樣的活性氧放出劑的微粒過濾器將捕集到的微粒氧化除去。即使利用其它貴金屬、堿金屬、堿土類金屬、稀土類、過渡性金屬也可起到同樣的微粒除去作用。
在柴油機中通常在空氣過剩的狀態(tài)下進行燃燒，因此，廢氣包含大量的過?？諝?。即，如將供給到進氣通道和燃燒室內(nèi)的空氣與燃料的比稱為廢氣的空燃比，則該空燃比較稀。另外，由于在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生NO，所以，在廢氣中包含NO。另外，在燃料中包含硫S，該硫S在燃燒室內(nèi)與氧反應(yīng)成為SO2。因此，在廢氣中包含SO2。因此，包含過剩氧、NO、及SO2的廢氣流入到微粒過濾器70的排氣上游側(cè)。
圖21(A)及(B)示意地表示微粒過濾器70的廢氣接觸面的放大圖。在圖21(A)和(B)中，符號60示出白金Pt的粒子，符號61表示包含鉀K的活性氧放出劑。
如上述那樣，由于在廢氣中含有大量的過剩氧，所以，如廢氣接觸微粒過濾器的廢氣接觸面內(nèi)，則如圖21(A)所示那樣，這些氧O2以O(shè)2-或O2-的附著于白金Pt的表面。另一方面，廢氣中的NO在白金Pt的表面上與O2-或O2-反應(yīng)，成為NO2()。接著，生成的NO2的一部分在白金Pt上氧化，并吸收到活性氧放出劑61內(nèi)，與鉀K結(jié)合，同時，如圖21(A)所示那樣以硝酸離子NO3-的形式擴散到活性氧放出劑61內(nèi)，生成硝酸鉀KNO3。這樣，在本實施例中，包含于廢氣中的NOX吸收到微粒過濾器70，可大幅度減少向大氣中的放出量。
另一方面，如上述那樣，在廢氣中還包含SO2，該SO2也按與NO相同的機理吸收到活性氧放出劑61內(nèi)。即如上述那樣，氧O2以O(shè)2-或O2-的形式附著于白金Pt的表面，廢氣中的SO2在白金Pt的表面與O2-或O2-反應(yīng)，成為SO3。接著，生成的SO3的一部分在白金Pt上進一步被氧化，并被吸收到活性氧放出劑61內(nèi)，與鉀K結(jié)合，同時，以硫酸離子SO42-的形式擴散到活性氧放出劑61內(nèi)，生成硫酸鉀K2SO4。這樣，在活性氧放出劑61內(nèi)生成硝酸鉀KNO3和硫酸鉀K2SO4。
廢氣中的微粒如在圖21(B)中由符號62示出的那樣，附著在載置于微粒過濾器的活性氧放出劑61的表面。此時，在微粒62與活性氧放出劑61的接觸面，氧濃度下降。當(dāng)氧濃度下降時，在與氧濃度高的活性氧放出劑61內(nèi)之間產(chǎn)生濃度差，這樣，活性氧放出劑61內(nèi)的氧存在朝微粒62與活性氧放出劑61的接觸面移動的傾向。結(jié)果，形成于活性氧放出劑61內(nèi)的硝酸鉀KNO3分解成鉀K、氧O、及NO，氧O朝微粒62與活性氧放出劑61的接觸面移動，NO從活性氧放出劑61放出到外部。放出到外部的NO在下游側(cè)的白金Pt上被氧化，再次吸收到活性氧放出劑61內(nèi)。
另一方面，此時形成于活性氧放出劑61內(nèi)的硫酸鉀K2SO4也分解成鉀K和氧O、及SO2，氧O朝微粒62與活性氧放出劑61的接觸面移動，SO2從活性氧放出劑61放出到外部。放出到外部的SO2在下游側(cè)的白金Pt上被氧化，再次被吸收到活性氧放出劑61內(nèi)。但硫酸鉀K2SO4由于較穩(wěn)定，所以，與硝酸鉀KNO3相比難以放出活性氧。
另一方面，向微粒62與活性氧放出劑61的接觸面移動的氧O為從硝酸鉀KNO3和硫酸鉀K2SO4那樣的化合物分解成的氧。從化合物分解的氧O具有高的能量，活性極高。因此，向微粒62與活性氧放出劑61的接觸面移動的氧成為活性氧O。這些活性氧O接觸微粒62時，微粒62在數(shù)分到數(shù)十分的短時間內(nèi)不產(chǎn)生光焰地氧化。另外，對微粒62進行氧化的活性氧O在將NO和SO2吸收到活性氧放出劑61時也放出。即，可認(rèn)為NOX反復(fù)進行氧原子的結(jié)合和分離，并在活性氧放出劑61內(nèi)以硝酸離子NO3-的形式擴散，在此期間也產(chǎn)生活性氧。微粒62也由該活性氧氧化。另外，這樣附著于微粒過濾器70上的微粒62雖由活性氧O氧化，但這些微粒62也由廢氣中的氧所氧化。
可是，白金Pt和活性氧放出劑61隨微粒過濾器的溫度提高而增大活性，所以，單位時間從活性氧放出劑61放出的活性氧O的量隨微粒過濾器的溫度提高而增大。當(dāng)然，微粒自身的溫度越高則越易氧化除去。因此，在微粒過濾器上單位時間中不產(chǎn)生光焰地將微粒氧化除去的可氧化除去微粒子量隨微粒過濾器的溫度提高而增大。
圖22的實線示出單位時間內(nèi)可不產(chǎn)生光焰地氧化除去的可氧化除去微粒子量G，在圖22中，橫軸示出微粒過濾器的溫度TF。圖22示出單位時間為1秒的場合即每1秒的可氧化除去的微粒子量G，但作為該單位時間，可采用1分、10分等任意的時間。例如，在采用10分作為單位時間的場合，每單位時間的可氧化除去微粒子量G表示每10分鐘內(nèi)的可氧化除去微粒子量G，在該場合，在微粒過濾器70上單位時間內(nèi)可不產(chǎn)生光焰地氧化除去的可氧化除去微粒子量G如圖23所示那樣隨微粒過濾器70溫度的提高而增大。
如將單位時間內(nèi)從燃燒室排出的微粒的量稱為排出微粒子量M，則當(dāng)該排出微粒子量M比可氧化除去微粒子量G少時，例如每秒的排出微粒子量M比每秒的可氧化除去微粒子量G少時，或每10分鐘的排出微粒子量M比每10分鐘的可氧化除去微粒子量G少時，即在圖22的區(qū)域I中，從燃燒室排出的所有微粒在微粒過濾器70上不產(chǎn)生光焰地依次在短時間內(nèi)被氧化除去。
而當(dāng)排出微粒子量M比可氧化除去微粒子量G多時，即在圖22的區(qū)域II中，為了將所有微粒依次氧化，活性氧量不足。圖23(A)-(C)示出這樣的場合的微粒的氧化的狀態(tài)。
即，在活性氧量不足以氧化所有微粒的場合，如圖23(A)所示那樣，當(dāng)微粒62附著于活性氧放出劑61上時，僅氧化微粒62的一部分，未充分氧化的微粒部分殘留于微粒過濾器的排氣上游側(cè)面上。接著，當(dāng)活性氧量不足的狀態(tài)繼續(xù)存在時，未氧化的微粒部分不停地殘留在排氣上游面上，結(jié)果如圖23(B)所示那樣，微粒過濾器的排氣上游面由殘留微粒部分63覆蓋。
這樣的殘留微粒部分63逐漸變性為難以氧化的碳質(zhì)，另外，如排氣上游面由殘留微粒部分63覆蓋，則抑制了白金Pt對NO、SO2的氧化作用和活性氧放出劑61的活性氧放出作用。這樣，雖然隨時間經(jīng)過可慢慢地將殘留微粒部分63氧化，但如圖23(C)所示那樣，在殘留微粒部分63上不停地堆積別的微粒64。即，當(dāng)微粒以疊層狀堆積時，這些微粒從白金Pt和活性氧放出劑隔開距離，所以即使為易于氧化的微粒，也不會由活性氧氧化。因此，在該微粒64上不停地堆積別的微粒。即，當(dāng)排出微粒子量M比可氧化除去微粒子量G多的狀態(tài)繼續(xù)存在時，在微粒過濾器上以疊層狀堆積微粒。
這樣，在圖22的區(qū)域I中，微粒在微粒過濾器上不產(chǎn)生光焰地在短時間內(nèi)氧化，在圖22的區(qū)域II中，微粒以疊層狀堆積到微粒過濾器上。因此，如將排出微粒子量M與可氧化除去微粒子量G的關(guān)系設(shè)于區(qū)域I中，則可防止微粒在微粒過濾器上堆積。結(jié)果，微粒過濾器70上的廢氣流的壓力損失可以產(chǎn)完全沒有變化地大體維持為一定的最小壓力損失值。這樣，可將發(fā)動機的輸出下降維持在最小限度。然而，這并不是總是能實現(xiàn)，不采取任何措施的話則可能會在微粒過濾器上堆積微粒。
在本實施例中，由上述的電子控制裝置30根據(jù)圖24的示流程圖實施閥體74的切換控制，防止微粒在微粒過濾器的堆積。本流程圖每隔規(guī)定時間反復(fù)進行。首先，在步驟101中，計算出車輛的行走距離累計值A(chǔ)。接著，在步驟102中，判斷該行走距離累計值A(chǔ)是否在設(shè)定行走距離As以上。當(dāng)否定該判斷時，以原有狀態(tài)結(jié)束，但在肯定時，前進到步驟103。在步驟103中，行走距離累計值A(chǔ)被設(shè)為0，在步驟104中，閥體74從第1位置和第2位置的一方切換到另一方。即，微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)相反。
圖25為微粒過濾器的分隔壁54的放大斷面圖。也可能在車輛進行設(shè)定行走距離As的行走期間進行圖22的區(qū)域II中的運行，如圖25(A)中由格子示出的那樣，廢氣主要沖擊的分隔壁54的排氣上游側(cè)表面和細孔內(nèi)的廢氣流相向面作為一方的捕集面對微粒進行沖擊捕集，并由活性氧放出劑氧化將其除去，但該氧化除去可能不充分，而使微粒殘留。在該時刻，微粒過濾器的排氣阻力雖不為對車輛行走產(chǎn)生不良影響的程度，但如進一步堆積微粒，則產(chǎn)生發(fā)動機輸出大幅度下降等問題。在第1流程圖中，在該時刻，微粒過濾器的排氣上游側(cè)與排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)。這樣，在殘留于分隔壁54的一方捕集面的微粒上不會進一步堆積微粒，由從一方的捕集面放出的活性氧慢慢地將殘留微粒氧化除去。另外，殘留于分隔壁的細孔內(nèi)的微粒由反方向的廢氣流如圖25(B)所示那樣容易被破壞而細化，移動到下游側(cè)。
這樣，細化的多個微粒分散到分隔壁的細孔內(nèi)，即，微粒流動，從而直接與載置于分隔壁的細孔內(nèi)表面的活性氧放出劑直接接觸而被氧化除去的機會變多。這樣，通過在分隔壁的細孔內(nèi)也載置活性氧放出劑，可使殘留微粒更易于氧化除去。另外，在該氧化除去的基礎(chǔ)上，由廢氣的逆流，在成為上游側(cè)的分隔壁54的另一方的捕集面即現(xiàn)在廢氣主要沖擊的分隔壁54的排氣上游側(cè)表面和細孔內(nèi)的廢氣流相向面(成為與一方的捕集面相反側(cè)的關(guān)系)，使廢氣中的新的微粒附著，由從活性氧放出劑放出的活性氧氧化除去。進行這些氧化除去時，從活性氧放出劑放出的活性氧的一部分與廢氣一起移動到下游側(cè)，由廢氣的逆流也可氧化除去依然殘留的微粒。
即，對于分隔壁的一方捕集面的殘留微粒，不僅有從該捕集面放出的活性氧產(chǎn)生作用，而且廢氣的逆流使對分隔壁另一方捕集面的微粒進行氧化除去后余留的活性氧也隨廢氣來到。這樣，在閥體切換時，即使在分隔壁的一方捕集面以疊層狀堆積某種程度的微粒，如使廢氣逆流，則活性氧來到堆積于殘留微粒上的微粒，而且不進一步堆積微粒，所以，堆積微粒慢慢地被氧化除去，如在下一次的逆流之前具有某種程度的時間，則可在該期間充分地氧化除去。
在第1流程圖中，閥體的切換每隔規(guī)定行走距離進行，但也可每隔設(shè)定時間進行。當(dāng)然，也可不這樣定期進行，而是不定期地切換閥體?？傊?，閥體的切換最好在微粒過濾器上的殘留微粒變性成難以氧化的碳質(zhì)以前進行，在從發(fā)動機起動到發(fā)動機停止期間至少進行一次。另外，在堆積大量的微粒以前氧化除去微粒，可防止一次使大量的堆積微粒著火燃燒，產(chǎn)生大量的燃燒熱，由該燃燒熱導(dǎo)致微粒過濾器溶損。另外，即使因某種原因在切換閥體時使大量的微粒堆積到微粒過濾器分隔壁的一方捕集面，如切換閥體，堆積微粒由反方向的廢氣流較容易地破壞和細化，所以，雖然使在分隔壁的細孔內(nèi)未能氧化除去的一部分的細化微粒從微粒過濾器排出，但微粒過濾器的排氣阻力不會進一步提高而對車輛行走產(chǎn)生不良影響。另外，在微粒過濾器分隔壁的另一方的捕集面，可能捕集新的微粒。
圖26示出閥體75的切換控制的第2流程圖。本流程圖也每隔規(guī)定時間反復(fù)進行。首先，在步驟201中，由壓力傳感器等檢測出微粒過濾器70的一方側(cè)的排氣壓力P1，即第1流路73a(參照圖18)內(nèi)的排氣壓力。接著，在步驟202，由壓力傳感器等檢測出微粒過濾器70的另一方側(cè)的排氣壓力P2，即第2流路73b(參照圖18)內(nèi)的排氣壓力。
在步驟203中，判斷由步驟201和202檢測出的排氣壓力的差壓的絕對值是否在設(shè)定壓力差Ps以上。在這里，使用差壓的絕對值是因為即使第1流路73a和第2流路73b中的哪一方處于排氣上游側(cè)都可把握差壓的上升。當(dāng)步驟203中的判斷為否定時，依原有狀態(tài)結(jié)束，當(dāng)該判斷為肯定時，由于在微粒過濾器殘留某種程度的微粒，所以，在步驟204切換閥體74，使微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)。
這樣，如上述那樣，殘留微粒從微粒過濾器氧化除去。這樣，可利用微粒過濾器兩側(cè)的差壓間接地檢測在微粒過濾器殘留某種程度的微粒的狀態(tài)，確實地防止微粒進一步堆積而使發(fā)動機輸出功率大幅度下降。當(dāng)然，除了該差壓以外，例如也可監(jiān)視微粒過濾器上的規(guī)定分隔壁上的電阻值的變化，當(dāng)微粒的堆積使電阻值在設(shè)定值以下時，判斷在微粒過濾器上堆積了某種程度的微粒，另外，也可在微粒過濾器的規(guī)定分隔壁，利用微粒的堆積使光透過率下降或光的反射率下降這一情況，判斷在微粒過濾器上堆積了某種程度的微粒這一狀態(tài)。這樣，通過直接判斷微粒的殘留，切換閥體，可更為確實地防止發(fā)動機輸出的大幅度下降。另外，微粒過濾器兩側(cè)的差壓嚴(yán)密地說隨每一發(fā)動機運行狀態(tài)下從氣缸內(nèi)排出的廢氣壓力而變化，所以，在判斷微粒的堆積時，最好對發(fā)動機運行狀態(tài)進行規(guī)定。
這樣，將微粒過濾器的排氣上游側(cè)與排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)，使得可對殘留和堆積微粒進行氧化除去，所以非常有效，特別是即使不判斷時刻，偶爾切換閥體，也可充分地防止大量的微粒堆積導(dǎo)致的發(fā)動機輸出的大幅度下降。
可是，本實施例的閥體74的構(gòu)造如上述那樣，在從第1位置和第2位置的一方切換到另一方的過程中，廢氣的一部分旁通微粒過濾器70。這樣，此時如在廢氣中含有微粒，則該微粒放出到大氣中。為了防止這一點，也可如圖27所示第3流程圖那樣，在實施燃油切斷時，切換閥體74。當(dāng)切斷燃油時，由于不在氣缸內(nèi)進行燃燒，所以，在廢氣中不含微粒。進行燃油切斷的實施判斷時，可利用提供給燃料噴射閥的燃油切斷信號，另外，也可檢測車輛行走過程中的制動踏板的踏下，另外，也可檢測車輛行走過程中的加速踏板的開放。
在本實施例的廢氣凈化裝置中，通過切換閥體74，使微粒過濾器70的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)，可較良好地防止微粒在微粒過濾器的堆積。另外，按照本廢氣凈化裝置的構(gòu)造，微粒過濾器70的周圍部70c在第3流路73c時常與廢氣接觸，所以，由廢氣加熱，可使微粒過濾器為高溫。這樣，如圖22的圖所示那樣，能夠?qū)⒖裳趸ノ⒘Ｗ恿烤S持得較高，進一步確實防止微粒在微粒過濾器的堆積。另外，如微粒過濾器為高溫，則即使燃燒空燃比較稀或有一些變化，也可由載置于微粒過濾器的氧化催化劑使包含于廢氣中的HC和CO等還原成分良好地燃燒，另外，可使微粒過濾器的溫度升高。
本實施例的微粒過濾器70具有大的開口部70a、70b，使開口部間的長度較短，可通過大量的廢氣。將這樣的微粒過濾器70配置于排氣管71內(nèi)，并使開口部朝著排氣管的長度方向，所以，可使本廢氣凈化裝置小型化。這樣，本廢氣凈化裝置可在緊接排氣歧管下游側(cè)的部位鄰接著發(fā)動機本體配置，可非常有效地將廢氣的熱用于微粒過濾器的加熱。
另外，在發(fā)動機減速等場合，當(dāng)廢氣溫度變低時，通過使閥體74為開放位置，從而可旁通微粒過濾器，防止廢氣通過微粒過濾器內(nèi)，但該低溫的廢氣接觸微粒過濾器的周圍部地流動。這樣，當(dāng)發(fā)動機減速時，雖使微粒過濾器的溫度下降，但如發(fā)動機減速結(jié)束，則由高溫的廢氣立即使微粒過濾器升溫。這樣，在發(fā)動機減速過程中，雖然微粒過濾器的氧化除去微粒子量下降，但此時在廢氣中基本上不含微粒，沒有特別的問題。
另外，本實施例的微粒過濾器的周圍全體由廢氣流包圍周圍全體，即，由氣體層圍住。這樣，與微粒過濾器的周圍部通過外殼等與大氣鄰接的一般的廢氣凈化裝置相比，在本廢氣凈化裝置中，可充分地抑制車輛行走風(fēng)等產(chǎn)生的微粒過濾器的散熱，由此也易于將微粒過濾器維持于高溫。
在本實施例中，微粒過濾器70單一地具有長圓形斷面，但這并不限定本發(fā)明。例如，也可如圖28所示那樣沿排氣管的長度方向鄰接配置所需個數(shù)的具有圓形斷面等的多個微粒過濾器70′。在單一的微粒過濾器中，特別是由于高度中央部的分隔壁全體的寬度變長，所以，剛性多少有些弱，但通過這樣使用多個微粒過濾器，可使各微粒過濾器70′小型化，提高剛性，提高微粒過濾器的耐用性。另外，閥體74配置于排氣管71的下游側(cè)，這對使作為可動部的閥體從高熱的發(fā)動機本體離開一些有利。然而，當(dāng)然也可將第2小直徑部分71b作為排氣上游側(cè)，使閥體74位于排氣管71的上游側(cè)。另外，在本實施例中，使通過微粒過濾器70的第1開口部和第2開口部的中心軸線與排氣管71的大直徑部分71c的中心軸線相互直交，但這不限定本發(fā)明，例如沒有必要使微粒過濾器70位于大直徑部分71c的中心，另外，也可使微粒過濾器70的開口部相對大直徑部分的中心軸線傾斜。即，微粒過濾器的中心軸線與放大部分的中心軸線如在平面視圖下相互交叉，則可構(gòu)成具有上述效果的廢氣凈化裝置。
另外，如使廢氣的空燃比較濃，即，使廢氣中的氧濃度下降，則從活性氧放出劑61向外部一氣(單獨)將活性氧O放出。通過一氣放出的活性氧O使堆積微粒易于被氧化，從而可容易地氧化除去。
另一方面，當(dāng)維持為稀空燃比時，白金Pt的表面由氧覆蓋，產(chǎn)生所謂的白金Pt的氧中毒。當(dāng)產(chǎn)生這樣的氧中毒時，對NOX的氧化作用下降，所以，NOX的吸收效率下降，這樣，從活性氧放出劑61的活性氧放出量下降。然而，當(dāng)空燃比變濃時，由于消耗白金Pt表面上的氧，所以，消除了氧中毒，因此，當(dāng)空燃比從濃切換到稀時，相對NOX的氧化作用增強，所以，NOX的吸收效率增大，這樣，從活性氧放出劑61的活性氧放出量增大。
因此，當(dāng)維持為稀空燃比時，如偶爾將空燃比從稀切換到濃，則此時白金Pt的氧中毒被消除，所以，空燃比較稀時的活性氧放出量增大，從而可促進微粒過濾器70上的微粒的氧化作用。
另外，該氧中毒的消除可以說是還原物質(zhì)的燃燒，所以，伴隨著發(fā)熱，使微粒過濾器升溫。這樣，微粒過濾器的可氧化除去微粒子量提高，另外，殘留和堆積微粒的氧化除去變得容易。如剛由閥體74切換微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)后使廢氣的空燃比變濃，則在不殘留微粒的微粒過濾器分隔壁的另一方的捕集面，與一方的捕集面相比較，易于放出活性氧，所以，由更多量的放出的活性氧可進一步確實地將一方的捕集面的殘留微粒氧化除去。當(dāng)然，也可與閥體74的切換無關(guān)地偶爾使廢氣的空燃比變濃，這樣，微粒不易殘留和堆積在微粒過濾器。
作為使廢氣的空燃比變濃的方法，例如可實施上述的低溫燃燒。當(dāng)然，也可在從通常燃燒切換到低溫燃燒時或在其之前切換微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)。另外，為了使廢氣的空燃比變濃，也可僅是使燃燒空燃比變濃。另外，也可在壓縮行程的通常的主燃料噴射的基礎(chǔ)上由發(fā)動機燃料噴射閥在排氣行程或膨脹行程向氣缸內(nèi)噴射燃料((ポスト)后噴射)，或在進氣行程中向氣缸內(nèi)噴射燃料(前噴射(ビゴム噴射))。當(dāng)然，后噴射或前噴射沒有必要一定在與主燃料噴射之間設(shè)置間隔。另外，也可向發(fā)動機排氣系供給燃料。如上述那樣，為了在發(fā)動機低負荷側(cè)實施低溫燃燒，在發(fā)動機減速時剛切斷燃油后實施低溫燃燒。這樣，在第3流程圖的控制中，大多情況下在剛切換閥體74后實施低溫燃燒，使廢氣的空燃比變濃。
可是，如存在SO3，則廢氣中的鈣Ca生成硫酸鈣CaSO4。該硫酸鈣CaSO4難以氧化除去，在微粒過濾器上作為灰分殘留。因此，為了防止硫酸鈣的殘留導(dǎo)致的微粒過濾器的網(wǎng)目堵塞，作為活性氧放出劑61，最好使用離子化傾向比鈣Ca高的堿金屬或堿土類金屬，例如鉀K，這樣，擴散到活性氧放出劑61內(nèi)的SO3與鉀K結(jié)合，形成硫酸鉀K2SO4，鈣Ca不與SO3結(jié)合地通過微粒過濾器的分隔壁。因此，微粒過濾器不會由灰分堵塞網(wǎng)目。這樣，活性氧放出劑61最好如上述那樣使用離子化傾向比鈣Ca高的堿金屬或堿土類金屬，即鉀K、鋰Li、銫Cs、銣Rb、鋇Ba、鍶Sr。
另外，作為活性氧放出劑，即使在微粒過濾器上僅載置白金Pt那樣的貴金屬，也可從保持于白金Pt表面上的NO2或SO3放出活性氧。在該場合，示出可氧化除去微粒子量G的實線與圖22中示出的實線相比稱朝右側(cè)移動。另外，作為活性氧放出劑，也可使用鈰氧。鈰氧在廢氣中的氧濃度高時吸收氧(Ce2O3→2CeO2)，當(dāng)廢氣中的氧濃度下降時放出活性氧(2CeO2→Ce2O3)，所以，為了氧化除去微粒，需要定期或不定期地使廢氣中的空燃比變濃。也可使用鐵或錫代替鈰氧。
另外，作為活性氧放出劑也可使用廢氣中的NOX凈化所用的NOX吸藏還原催化劑。在該場合，為了放出NOX或SOX，需要至少一時使廢氣的空燃比變濃，最好在微粒過濾器的上游側(cè)和下游側(cè)逆轉(zhuǎn)后實施該濃化控制。本實施例的柴油機要切換低溫燃燒與普通燃燒從而加以實施，但這不對本發(fā)明進行限定，當(dāng)然，在僅實施普通燃燒的柴油機或排出微粒的汽油發(fā)動機中也可適用本發(fā)明。
在本實施例中，微粒過濾器自身載置活性氧放出劑，由該活性氧放出劑放出的活性氧將微粒氧化除去，但這不對本發(fā)明進行限定。例如活性氧和與活性氧同等功能的二氧化氮等微粒氧化物質(zhì)可從微粒過濾器或由其載置的物質(zhì)放出，也可從外部流入到微粒過濾器。即使在微粒氧化物質(zhì)從外部流入的場合，為了捕集微粒，通過交替使用捕集壁的第1捕集面和第2捕集面，使得不會在成為排氣下游側(cè)的一方的捕集面堆積新的微粒，即使慢慢地由從另一方的捕集面流入的微粒氧化成分將該堆積微粒氧化除去，也可在某種程度的時間內(nèi)將堆積微粒氧化除去。在此期間，在另一方的捕集面，與微粒的捕集一起進行由微粒氧化成分產(chǎn)生的氧化，可獲得與上述同樣的效果。另外，在該場合，微粒過濾器的升溫可提高微粒自身的溫度，使氧化除去變得容易，所以，如本實施例那樣構(gòu)成廢氣凈化裝置較有利。
這樣按照本發(fā)明的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，具有使捕集到的微粒氧化的微粒過濾器和使微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)的逆轉(zhuǎn)裝置，微粒過濾器具有用于捕集微粒的捕集壁，捕集壁具有第1捕集面和第2捕集面，由逆轉(zhuǎn)裝置使微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)，從而為了捕集微粒而交替使用捕集壁的第1捕集面和第2捕集面，微粒過濾器具有用于廢氣的流出入的第1開口部和第2開口部，在消聲器上游側(cè)配置于排氣管內(nèi)，微粒過濾器的第1開口部與第2開口部之間的周圍部至少部分地與排氣管內(nèi)的廢氣流接觸。這樣，根據(jù)運行狀態(tài)的不同，微粒的氧化可能變得不充分，在微粒過濾器捕集壁的第1捕集面殘留某種程度的微粒，但由逆轉(zhuǎn)裝置使微粒過濾器的排氣上游側(cè)與排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)，從而使得不在捕集壁的第1捕集面新堆積微粒，該殘留微粒慢慢地被氧化除去。同時，由捕集壁的第2捕集面使微粒的捕集和氧化開始。這樣，當(dāng)在微粒的捕集中交替使用第1捕集面和第2捕集面時，與總是由單一的捕集面對微粒進行捕集的場合相比，可減少在各捕集面的微粒捕集量，有利于微粒的氧化除去。另外，微粒過濾器的周圍部與廢氣流接觸地受到加熱，可將微粒過濾器的溫度維持在高溫，使微粒易于氧化。這樣，可確實地防止微粒過濾器的網(wǎng)目堵塞。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于具有使捕集到的微粒氧化的微粒過濾器和使上述微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)的逆轉(zhuǎn)裝置，上述微粒過濾器具有用于捕集微粒的捕集壁，上述捕集壁具有第1捕集面和第2捕集面，由上述逆轉(zhuǎn)裝置使上述微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)，從而為了捕集微粒而交替使用上述捕集壁的上述第1捕集面和上述第2捕集面，上述微粒過濾器具有用于廢氣的流出入的第1開口部和第2開口部，在消聲器上游側(cè)配置于排氣管內(nèi)，上述微粒過濾器的上述第1開口部與上述第2開口部之間的周圍部至少部分地與上述排氣管內(nèi)的廢氣流接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于在上述捕集壁載置活性氧放出劑，從上述活性氧放出劑放出的活性氧使微粒氧化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于上述活性氧放出劑當(dāng)在周圍存在過剩氧時取入氧對氧進行保持，而且在周圍的氧濃度下降時以活性氧的形式將保持的氧放出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于上述活性氧放出劑當(dāng)在周圍存在過剩氧時使NOX與氧結(jié)合而保持，而且，當(dāng)周圍的氧濃度下降時，將結(jié)合的NOX和氧分解成NOX和活性氧放出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項所述的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于通過上述微粒過濾器的上述第1開口部和上述第2開口部的中心軸線與上述排氣管的中心軸線在平面視圖中相互交叉。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于上述微粒過濾器在上述排氣管的長度方向上配置多個。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于上述排氣管具有沿長度方向分割的第1流路、第2流路、及第3流路，上述第1流路與上述微粒過濾器的上述第1開口部連通，上述第2流路與上述微粒過濾器的上述第2開口部連通，上述第3流路內(nèi)的廢氣流與上述微粒過濾器的上述周圍部至少部分接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置，其特征在于上述逆轉(zhuǎn)裝置具有閥體，通過使上述閥體處于第1位置，可將上述第3流路和上述第1流路連通，同時，使第2流路連通到上述排氣管的排氣上游側(cè)或排氣下游側(cè)的一方側(cè)；通過使上述閥體處于第2位置，可使上述第3流路與上述第2流路連通，同時，使上述第1流路連通到上述排氣管的上述一方側(cè)；通過將上述閥體從上述第1位置和上述第2位置的一方切換到另一方，可使上述微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種內(nèi)燃機的廢氣凈化裝置:具有使捕集到的微粒氧化的微粒過濾器70和使微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn)的逆轉(zhuǎn)裝置74,微粒過濾器具有用于捕集微粒的捕集壁。通過由逆轉(zhuǎn)裝置使微粒過濾器的排氣上游側(cè)和排氣下游側(cè)逆轉(zhuǎn),從而為了捕集微粒而交替使用捕集壁的第1捕集面和第2捕集面。微粒過濾器具有用于廢氣的流出入的第1開口部和第2開口部,在消聲器上游側(cè)配置于排氣管71內(nèi),微粒過濾器的第1開口部與第2開口部之間的周圍部至少部分地與排氣管內(nèi)的廢氣流接觸。
文檔編號F01N13/04GK1386160SQ01802143
公開日2002年12月18日 申請日期2001年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月24日
發(fā)明者廣田信也, 田中俊明, 伊藤和浩, 淺沼孝充, 中谷好一郎, 木村光壱 申請人:豐田自動車株式會社