专利名称：尾气净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机的尾气净化装置。
背景技术：
在现有技术的柴油发动机中，包含在尾气中的颗粒是通过下述方式被除掉的在发动机的排气通道内设置一个微粒过滤器并用该微粒过滤器收集尾气中的颗粒，然后点燃这些收集在微粒过滤器中的颗粒并使其燃烧，目的是重复利用这种微粒过滤器。但是，收集在微粒过滤器中的颗粒只有在温度至少约为600℃时才会点燃。但，柴油机的尾气温度通常远远低于600℃。因此，很难利用尾气的热量点燃收集在微粒过滤器中的微粒。为了能够利用尾气的热量点燃收集在微粒过滤器中的颗粒，就需要降低颗粒的燃点。
但是，如果微粒过滤器上装有催化剂，那么就可以降低颗粒的燃点，这在本领域内已经是公知的。因此，在本领域内已经有很多种带有催化剂的公知微粒过滤器，用来降低微粒的燃点。
例如，日本已审结的专利(Kokoku)第7-106290中公开了一种微粒过滤器，其包括一个携带有铂系金属和碱土金属氧化物的混合物的微粒过滤器。在这种微粒过滤器中，微粒可在约为350℃至400℃的较低温度下点燃，而且能够继续燃烧。
概括地说，本发明所要解决的问题在于当柴油机内的载荷变得很高时，尾气的温度将从350℃增加至400℃，这样，对于上述微粒过滤器，当发动机载荷变大时好象通过尾气的热量就可使颗粒燃烧。但在实际中，即使尾气的温度已达到350℃至400℃，有时仍然不能点燃微粒。此外，即使微粒被点燃，那么也仅有一些微粒燃烧，而大量的微粒仍然保持在未燃烧状态下。
就是说，当尾气中所含的颗粒量很小时，附着在微粒过滤器上的颗粒量也很少。这时，如果尾气的温度达到350至400℃，那么微粒过滤器上的颗粒就会被点燃，而且能够继续燃烧。
如果尾气中所含的颗粒量较大，那么在沉积于微粒过滤器上的颗粒完全燃烧前，其它颗粒又会附着在那些颗粒上。这样，微粒就会以多层的形式沉积在微粒过滤器上。如果微粒以这种多层方式沉积在微粒过滤器上，那么那些容易和氧接触的颗粒就会燃烧，但未与氧接触的其余颗粒就不会燃烧，因此就会有大量的颗粒仍然没有燃烧。所以，如果尾气中所含的微粒数量较大，那么就会有大量的微粒继续沉积在微粒过滤器上。
另外，如果有大量的微粒沉积在微粒过滤器上，那么已经沉积下来的颗粒就会变得越来越难以点燃和燃烧。由于颗粒中的碳在沉积过程中会转变成不易燃烧的石墨，因此颗粒也就更不容易燃烧。实际上，如果有大量的微粒继续沉积在微粒过滤器上，那么已经沉积下来的微粒在350℃至400℃的较低温度下就不会被点燃。要点燃已经沉积下来的微粒，就要求使温度高于600℃。但在柴油机中，尾气的温度通常不会超过600℃的高温。因此，如果有大量的微粒继续沉积在微粒过滤器上，那么尾气中的热量就很难点燃已经沉积下来的颗粒。
此外，如果这时能够使尾气的温度高达600℃以上，那么已经沉积下来的颗粒就会被点燃，但在这种情况下又会出现另外一个问题。就是说，在这种情况下，如果将已沉积的微粒点燃，那么燃烧的同时，还会产生光焰。这时，微粒过滤器的温度就在很长一段时间内保持在800℃以上，直到沉积下来的颗粒被完全烧光。如果微粒过滤器以这种方式长时间处于超过800℃的高温条件下，那么微粒过滤器就会很快老化，因此就产生了一个问题必须经常用新的过滤器更换旧的微粒过滤器。
发明内容
本发明的一个目的在于防止尾气净化装置的微粒过滤器在沉积于过滤器上颗粒的燃烧所产生的热量的作用下产生老化。
根据本发明，提供一种用于发动机的尾气净化装置，而发动机上设置有一个燃烧室，该净化装置包括一个尾气通道；一个微粒过滤器，该过滤器设置于尾气通道内并用于通过氧化作用除去从燃烧室排出的尾气中的微粒；一个用于控制流入微粒过滤器中的尾气特性(指标)的装置；用于判断微粒过滤器是否在颗粒氧化所产生的热量作用下而导致老化的装置，其中当判断装置判断出微粒过滤器将由于热而产生老化时，控制装置就会改变流入到微粒过滤器中的尾气特性(指标)，从而防止微粒过滤器产生热老化现象。
根据本发明的一个实施例，控制装置能够控制流入微粒过滤器中的尾气量，而且当判断装置判断出微粒过滤器将由于热而产生老化时，该控制装置将执行能够使流入微粒过滤器中的尾气量小于第一极限值的第一控制操作或能够使流入微粒过滤器中的尾气量大于第二极限值的第二控制操作，而第二极限值大于第一极限值。
根据本发明的另一实施例，当判断装置判断出微粒过滤器将由于受热而老化时，在控制装置改变尾气特性(指标)之前，判断装置就会判断微粒过滤器的温度是否通过改变尾气的特性(指标)而低于预定的温度，尾气中的氧浓度是否通过改变尾气的特性(指标)而小于预定的浓度，而且控制装置将改变尾气的特性(指标)，以使微粒过滤器的温度低于预定的温度，这时，判断装置判断出微粒过滤器的温度将通过改变尾气的特性(指标)而低于预定的温度；控制装置还会改变尾气的特性(指标)，以使尾气中的氧浓度低于预定的浓度，这时，判断装置就会判断出尾气中的氧浓度将小于预定的浓度。
参照附图，通过如下的说明，将会更加清楚本发明的目的和特征，其中附图图1为内燃机的整体视图；图2A和2B分别示出了发动机所需扭矩、加速器踏板的下压量及发动机转速之间的关系图；图3A和3B为微粒过滤器的视图；图4A和4B为用于解释微粒的氧化作用的视图；
图5A至5C为用于解释微粒沉积作用的视图；图6为可通过氧化作用除去的微粒量和微粒过滤器的温度之间的关系图；图7A和7B为可通过氧化作用除去的微粒量的视图；图8A至8F为可通过氧化作用除去的微粒量G的示意图；图9A和9B为氧的浓度和尾气中NOX的浓度的示意图；图10A和10B为排出的颗粒量的视图；图11能够对微粒和NOX进行同时处理的区域的视图；图12为用于说明通过氧化作用除去微粒的方法的视图；图13为产生的烟量的视图；图14A和14B为燃烧室内气体温度的视图；图15为操作区域I和II的视图；图16为空气-燃料比A/F的视图；图17为节流阀的开启程度的变化图；图18为NOX的吸入量的示意图；图19为处理NOX的排放标志和SOX的排放标志的流程图；图20和21为用于控制发动机操作的流程图；图22为一个旁通机构的平面图，其中开关阀的转动位置被设定在第一转动位置上；图23为图21所示的旁通机构的侧视图；图24为一个旁通机构的平面图，其中开关阀的转动位置被设定在第二转动位置上；图25为旁通机构的平面图，其中开关阀的转动位置被设定在一中间位置上；图26示出了已经沉积下来的微粒；图27为用于控制开关阀的转动位置的流程图；图28为执行用于防止第一实施例产生热老化的方法之流程图；图29A和29B为安全区域、危险区域、进入的空气和氧的浓度之间的关系图；
图30为保险计算器的计算过程的流程图；图31为用于防止第二实施例产生热老化的方法之操作流程图；图32为除去沉积微粒的流程图；图33为防止热老化的流程图；图34为用于判断是否满足防止热老化条件的流程图；图35为用于判断是否满足防止热老化条件的另一实施例的流程图。
实施本发明的最佳方式图1示出了将本发明应用到一个压缩点火式内燃机上的情况。应该注意本发明还可应用到火花点火式内燃机上。
参照图1，标记1表示发动机的机体，标记2表示缸体，标记3表示缸盖，标记4表示活塞，标记5表示燃烧室，标记6表示电控燃料喷射器，标记7表示进气阀，标记8表示进气口，标记9表示排气阀，标记10表示排气口。进气口8通过一个相应的进气管11与一个稳压罐12相连接，而稳压罐12又通过一个进气管13与尾气涡轮增压器14的压缩机15相连接。一个用于测量进入空气流速的气流计13a设置于压缩机15之上游侧的进气管13b内。在进气管13内设置有一节流阀17，该节流阀17被一个步进电机16所驱动。此外，一冷却装置18设置在进气管13的周围，以冷却从进气管13进入的空气。在图1所示的实施例中，发动机的冷却水在冷却装置18内流动，而且进入的空气可通过发动机的冷却水而得以冷却。另外，排气口10通过一个排气集管19和一个排气管20与废气涡轮增压器14的废气涡轮相连接。废气涡轮21的出口通过一个排气管20a与一个容纳有微粒过滤器22的壳体23相连接。
排气集管19和稳压罐12通过一个尾气再循环(EGR)通道24相互连接。在EGR通道24内设置有一个电控的EGR控制阀25。一个冷却装置26设置在EGR通道24的周围，以冷却在EGR通道24内循环流动的EGR气体。在图1所示的实施例中，发动机的冷却水被导入冷却装置26的内部，而EGR气体通过发动机的冷却水得以冷却。另外，燃料喷射器6通过燃料进送管6a与一个被称为公共线路(common rail)27的燃料箱相连接。燃料从一个电控的可变释放量的燃料泵28进送到公共线路27内。被进送到公共线路27内的燃料通过燃料进送管6a被输送到燃料喷射器6内。公共线路27连接有一个燃料压力传感器29，用于检测公共线路27内的燃料压力。燃料泵28的释放量是根据燃料压力传感器29的输出信号来控制的，从而使公共线路27内的燃料压力达到一个目标燃料压力值。
一个电子控制单元30包括一个数字计算机，该数字计算机设置有通过一双向总线31相互连接的一个只读存储器32(ROM)、一个随机存取存储器33(RAM)、一个微处理器(CPU)34、一个输入端口35和一输出端口36。燃料压力传感器29的输出信号通过相应的模拟数字(AD)转换器37输入到输入端口35内。此外，微粒过滤器22连接有一个用于对微粒过滤器22进行检测的温度传感器39。该温度传感器39的输出信号通过相应的模拟数字(AD)转换器37输入到输入端口35内。气流计13a的输出信号通过相应的模拟数字转换器37输入到输入端口35内。一个加速器踏板40连接有一个负载传感器41，该传感器41能够产生一个与加速器踏板40的下压量L成比例的输出电压。载荷传感器41的输出电压通过相应的模拟数字转换器37输入到输入端口35内。另外，输入端口35还连接有一个曲柄角度传感器42，曲柄每转动30度，该传感器42就产生一个输出脉冲。此外，输出端口36通过相应的驱动电路38与燃料喷射器6、用于驱动节流阀的步进电机16、EGR控制阀25及燃料泵28相连接。
图2A示出了所需扭矩TQ、加速器踏板40的下压量L及发动机转速N之间的关系。应该注意到，在图2A中示出的曲线表示等扭矩曲线。由TQ＝0示出的曲线表示扭矩为零，而其它的曲线表示所需扭矩以TQ＝a、TQ＝b、TQ＝c和TQ＝d的顺序逐渐增加的曲线。在图2A和2B中示出的所需扭矩TQ作为加速器踏板40的下压量L和发动机转速N的函数被预先存储在ROM32内。在本发明的这个实施例中，首先从图2B所示的图形中根据加速器踏板40的下压量L和发动机的速度N计算出所需的扭矩TQ，然后根据所需的扭矩TQ计算出燃料的喷射量等。
图3A和3B示出了微粒过滤器22的结构。应该注意到，图3A为微粒过滤器22的前视图，而图3B为微粒过滤器22的侧视图。如图3A和3B所示，微粒过滤器22形成了一个蜂窝状的结构并设置有多个彼此平行延伸的尾气循环通道50、51。这些废气循环通道包括下游端被插塞52密封的废气流入通道50和上游端被插塞52密封的废气流出通道51。在图3A中，阴影部分表示插塞53。因此，废气流入通道50和废气流出通道51就通过薄壁的隔板54交错排列。换言之，废气流入通道50和废气流出通道51按下述方式排列每个废气流入通道50都被四个废气流出通道51所包围，而且每个废气流出通道51都被四个废气流入通道50所包围。
微粒过滤器22由多孔材料制成，例如由堇青石制成。因此，流入到废气流入通道50内的废气将会通过周围的隔板54流入相邻的废气流出通道51内，如图3B中的箭头所示。
在本发明的一个实施例中，一个由氧化铝构成的载体层形成于废气流入通道50和废气流出通道51的外围表面上，即形成于隔板54的两个侧面、隔板54上的微孔的内壁、插塞53的外端面和插塞52、53的内端面上。该载体上携带有贵金属催化剂和活性氧释放剂，而活性氧释放剂能够吸收氧，而且如果其周围环境中存在有过量的氧，那么该释放剂还能够保存氧气并当周围环境中的氧浓度下降时以活性氧的形式释放被保存起来的氧气。
在这种情况下，根据本发明的一个实施例，铂Pt被用作贵金属催化剂。而活性氧释放剂可由下述成分中的至少一种制成碱金属，例如钾K、钠Na、锂Li、铯Cs和铷Rb；碱土金属，例如钡Ba、钙Ca和锶Sr；稀土金属，例如镧La、钇Y和铈Ce；过渡金属，例如铁Fe；碳族元素，例如锡Sn。
应该注意到，在这种情况下，活性氧释放剂最好使用比钙Ca更容易产生电离的碱金属或碱土金属，即钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba和锶Sr。
下面，将通过实例对通过微粒过滤器22除去尾气中的微粒的操作加以说明，在该实例中，载体上携带有铂Pt和钾K，但是，即使采用其它贵金属、碱金属、碱土金属、稀土金属、过渡金属和碳族元素同样可以完成除掉颗粒的工作。
在图1所示的压缩点火式的内燃机中，燃烧是在有过量空气存在的情况下进行的。因此，尾气中含有很多过量的空气。即，如果进送到进气通道、燃烧室5和废气通道内的空气和燃料之比被称为废气的空气-燃料比，那么在图1所示的压缩点火式内燃机中，废气的空气-燃料比就会变小。此外，在燃烧室5内产生了NO，这样废气中就含有NO。另外，燃料中含有硫S。这些硫S与燃烧室5中的氧发生反应，生成SO2。因此，废气中还含有SO2。因此，含有过量氧气、NO和SO2的废气就会流入微粒过滤器22的尾气流入通道50内。
图4A和4B为形成于尾气流入通道50的内周壁和隔板54的微孔内壁上的载体层表面的放大视图。在图4A和4B中可以看到，标记60表示微粒状的铂Pt，而标记61表示含有钾K的活性氧释放剂。
这样，由于废气中含有很多过量的氧，因此，如果废气流入微粒过滤器22的废气流入通道50内，如图4A所示，那么氧气O2就会以O2-或O2-的形式附着在铂Pt的表面上。此外，废气中的NO将与铂Pt表面上的O2-或O2-发生反应，生成NO2()。接着，所生成的部分NO2被吸附在活性氧释放剂61内，同时在铂Pt上氧化并以NO3-的形式分散在活性氧释放剂61内，如图4A所示。部分氮离子NO3-生成了硝酸钾KNO3。
另外，如上所述，废气中还含有SO2。这些SO2被与NO相似的机理吸附在活性氧释放剂61内。即，氧气O2以上述方式以O2-或O2-的状态附着在铂Pt的表面上。废气中的SO2与铂Pt表面上的O2-或O2-发生反应，生成了SO3。接下来，所生成的部分SO3被吸附在活性氧释放剂61内，同时，在铂Pt上氧化并以硫酸根离子SO42-的形式分散到活性氧释放剂61中，而且与钾K结合，生成硫酸钾K2SO4。这样，就在活性氧释放剂61中生成了硝酸钾KNO3和硫酸钾K2SO4。
此外，在燃烧室5内还生成了主要由碳构成的微粒。因此，尾气中就包含有这些微粒。当废气流过微粒过滤器22的废气流入通道50内时或当其从废气流入通道50流出并进入废气流出通道51内时，包含在废气中的微粒就会与载体层的表面，例如图4B所示的活性氧释放剂61的表面接触并吸附在该表面上。
如果微粒62以这种方式附着在活性氧释放剂61的表面上，那么在微粒62的接触表面上和活性氧释放剂61上的氧浓度就会下降。如果氧的浓度下降，那么就会在氧浓度较高的活性氧释放剂61的内部形成一个浓度差，这样，活性氧释放剂61中的氧就会朝向微粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面移动。这样，形成于活性氧释放剂61上的硝酸钾KNO3就会分解成钾K、氧O和NO。氧O朝向微粒62和活性氧释放剂61的接触表面移动，而来自活性氧释放剂61的NO就被释放到外部。释放到外部的NO会在下游侧的铂Pt上氧化并再次被活性氧释放剂61吸收。
此外，如果此时微粒过滤器22的温度很高，那么形成于活性氧释放剂61上的硫酸钾K2SO4也会分解成钾K、氧O和SO2。氧O朝向微粒62和活性氧释放剂61的接触表面移动，而来自活性氧释放剂61上的SO2将被释放到外部。被释放到外部的SO2在位于下游侧的铂Pt上氧化并再次被活性氧释放剂61吸收。应该注意由于硫酸钾K2SO4是稳定的，而且不易分解，因此硫酸钾K2SO4的活性氧释放量比硝酸钾KNO3的活性氧释放量要少。
此外，如上所述，在与氧的反应过程中当活性氧释放剂61吸收以硝酸根离子NO3-的形式存在的NOX时，活性氧释放剂61能够生成活性氧并释放活性氧。同样，在与氧的反应过程中当活性氧释放剂61吸收以硫酸根离子SO42-的形式存在的SO2时，活性氧释放剂61能够生成活性氧并释放活性氧。
另外，朝向微粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面移动的氧O就是从象硝酸钾KNO3或硫酸钾K2SO4这样的成分中分解出来的氧。从这些成分中分解出来的氧O具有很高的能量，而且具有很高的活性。因此，朝向微粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面移动的氧就成为活性氧O。同样，在NOX或SO2与活性氧释放剂6 1中的氧发生反应的过程中生成的氧就成为活性氧O。如果这些活性氧O接触到微粒62，那么就会促进微粒62的氧化反应，而且微粒62能够在几秒到数十分钟的时间段内不发出光焰地氧化，而且能够被完全除掉。微粒62以这种方式被氧化的同时，其它微粒仍然继续沉积在微粒过滤器22上。因此，在实际中，总会有一定量的微粒沉积在微粒过滤器22上。沉积下来的部分微粒通过氧化作用被除掉。这样，沉积在微粒过滤器22上的微粒62就会以不发出光焰的方式连续燃烧。
应该注意到，我们认为NOX是以硝酸根离子NO3-的形式分布在活性氧释放剂61内，同时与氧原子反复结合和分离。在该过程中也会生成活性氧。微粒62还被这些活性氧所氧化。另外，沉积在微粒过滤器22上的微粒62不仅可被活性氧所氧化，而且颗粒62还可被尾气中的氧所氧化。
此外，应该注意到，活性氧释放剂61是一种用于使微粒产生氧化的材料。
当沉积在微粒过滤器22上的多层微粒燃烧时，微粒过滤器22将会变得赤热并燃烧，而且还产生火焰。这种带火焰的燃烧不会继续进行下去，除非温度很高。因此，为能够继续带火焰燃烧，微粒过滤器22的温度必须保持很高。
与此相反，在本发明中，微粒62是以不发出光焰的方式燃烧的，如上所述。此时，微粒过滤器22的表面就不会变得赤热。换言之，在本发明中，微粒62是通过在相当低的温度下进行的氧化反应而被除掉的。因此，根据本发明，以不发出光焰的方式通过氧化反应除去微粒62的操作与通过带火焰燃烧除去颗粒的反应完全不同。
铂Pt和活性氧释放剂61的活性会随着微粒过滤器22的温度的升高而变大，因此活性氧释放剂61在每个单位时间内能够释放出来的活性氧O的量也随微粒过滤器22的温度的升高而增加。当然，微粒本身的温度越高，也就越容易通过氧化反应被除去。因此，以不发出光焰的方式通过氧化反应在每单位时间内从微粒过滤器22上除去的颗粒量也会随着微粒过滤器22的温度的升高而增加。
图6中的实线示出了以不发出光焰的方式通过氧化反应在单位时间内可除去的颗粒量G。图6的横坐标示出了微粒过滤器22的温度TF。应该注意到，图6示出了在这种情况下通过氧化反应可除去的微粒量G，其中单位时间为1秒，即每秒，但是，1分钟、10分钟或其它时间段也可被用作单位时间。例如，当将10分钟作为单位时间时，在每个单位时间内通过氧化反应除去的微粒量G就表示在每10分钟内通过氧化反应可除去的微粒量G。在这种情况下，如图6所示，随着微粒过滤器22的温度的升高，单位时间内以不发出光焰的方式通过氧化反应从微粒过滤器22上可除去的颗粒量G也会增加。
如果将单位时间内从燃烧室5排出的颗粒量叫做排出的颗粒量M，那么当排出的颗粒量M小于在相同的单位时间内通过氧化反应可除去的颗粒量G，或当每10分钟内排出的颗粒量M小于每10分钟内通过氧化反应可除去的颗粒量G，即，在图6的区域I内，那么从燃烧室5内排出并与微粒过滤器22相接触的颗粒都将在短时间内以在微粒过滤器22上不发出光焰的方式被连续除掉。
反之，如果排出的微粒量M大于通过氧化反应除去的微粒量G，即在图6的区域II内，那么活性氧的量就不足以将全部微粒连续氧化掉。图5A至5C示出了在这种情况下微粒的氧化状态。
就是说，当活性氧的量不足以使全部颗粒连续氧化时，如果微粒62附着在活性氧释放剂61上，如图5A所示，那么仅有一些颗粒62被氧化掉。那些未被充分氧化的微粒仍然存在于载体层上。接着，如果活性氧的量继续保持不充足的状态，那么未被连续氧化的那部分微粒仍然滞留在载体层上。结果，如图5B所示，载体层的表面就会被残留的微粒部分63所覆盖。
覆盖载体层表面的这些残留颗粒部分63会逐渐变成不易氧化的石墨，这样，残留的微粒部分63就会很容易地保存在过滤器上。此外，如果载体层的表面被残留的颗粒部分63所覆盖，那么NO和SO2通过铂Pt的氧化反应及从活性氧释放剂61中释放氧气的反应就会受到抑制。结果，如图5C所示，其它颗粒64就会连续沉积在残留的颗粒部分63上。即，颗粒以层状结构沉积下来。如果颗粒以这种层状结构的形式沉积下来，那么这些微粒就会与铂Pt或活性氧释放剂61间隔一定的距离，因此，即使这些颗粒是易于氧化的，它们也不能被活性氧所氧化。所以，其它微粒就会连续沉积在微粒64上。就是说，如果排出的颗粒量M大于可通过氧化反应除去的颗粒量G的这种状态持续下去，那么颗粒就会以层状结构沉积在微粒过滤器22上，因此，除非提高尾气的温度，或提高微粒过滤器22的温度，否则根本不可能点燃沉积下来的颗粒，也不能使颗粒燃烧。
这样，在图6的区域I内，颗粒在短时间内以不发出光焰的方式在微粒过滤器22上燃烧。在图6的区域II内，微粒以多层结构沉积在微粒过滤器22上。因此，为防止微粒以多层结构沉积在微粒过滤器22上，必须使排出的颗粒量M总是小于通过氧化反应可除去的颗粒量G。
从图6中可以看出，由于采用了本发明第一实施例的微粒过滤器22，因此，即使微粒过滤器22的温度TF很低，这些颗粒仍然可以被氧化掉。因此，在图1所示的压缩点火式内燃机中，可以使排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF保持下述状态使排出的微粒量M通常小于通过氧化反应可除去的微粒量G。因此，在本发明的实施例中，被排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF保持下述状态使排出的微粒量M通常小于通过氧化反应可除去的颗粒量G。
如果能够保持排出的颗粒量M在通常情况下小于通过这种氧化反应可除去的微粒量G，那么微粒就不会再沉积在微粒过滤器22上。结果，就可以一个基本恒定的最小压力损失使微粒过滤器22内的废气流压力损失保持没有很大变化的程度。因此，就可以使发动机的输出损失保持最小。
此外，即使在相当低的温度下也能够通过氧化反应除去微粒。因此，微粒过滤器22的温度根本不会升高很多，因此也就不存在使微粒过滤器22产生老化的危险。另外，由于微粒不会以层状结构沉积在微粒过滤器22上，因此，也就不存在灰分凝结成块的危险，所以阻塞微粒过滤器22的可能性也得以降低。
然而，这种阻塞主要是由于硫酸钙CaSO4引起的。就是说，燃料或润滑油中含有钙。因此，尾气中也就含有钙。在有SO3存在的情况下，这些钙会生成硫酸钙CaSO4。这些硫酸钙CaSO4是固态的，而且即使在高温下也不会分解。因此，如果生成了硫酸钙CaSO4，微粒过滤器22上的微孔就会被这些硫酸钙阻住，而且产生阻塞现象。
但是，如果将电离可能性比钙Ca大的碱金属或碱土金属，例如钾用作活性氧释放剂61时，分布在活性氧释放剂61中的SO3就会与钾K结合，形成硫酸钾K2SO4。钙Ca穿过微粒过滤器22的隔板54并在未与SO3结合的情况下流入尾气流出通道51内。因此，微粒过滤器22的微孔就不会再出现阻塞现象。因此，如上所述，最好将电离的可能性比钙Ca更大的碱金属或碱土金属，例如钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba和锶Sr用作活性氧释放剂61。
在本发明的一个实施例中，目的主要是在所有的操作条件下保持排出的微粒量M小于通过氧化反应可除去的微粒量G。但实际上，在所有的操作条件下保持排出的微粒量M小于通过氧化反应可除去的微粒量G是一件几乎不可能的事。例如，当发动机起动时，微粒过滤器22的温度通常较低。因此，此时，排出的微粒量M大于通过氧化反应可除去的颗粒量G。因此，在本发明的一个实施例中，使排出的颗粒量M小于通过氧化反应可除去的微粒量G，氧化反应一般都是连续进行的，除非在特殊情况下，例如恰在发动机起动后。
应该理解如果排出的微粒量M大于通过氧化反应可除去的微粒量G，例如恰好在发动机起动后，那么不能在微粒过滤器22上被氧化掉的微粒部分仍然滞留在那里。如果排出的微粒量M小于可通过氧化反应除去的微粒量G，那么当不能以这种方式被氧化掉的那部分微粒仍然会滞留在那里，即当微粒仅在一定的极限范围内沉积时，残留的微粒部分可通过活性氧O的氧化作用在不发出光焰的情况下被除掉。因此，在本发明的这个实施例中，当处于特殊的操作状态下时，例如恰好在发动机起动后，以下述方式保持排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF仅使小于一定极限量的微粒沉积在微粒过滤器22上，当排出的微粒量M小于可通过氧化反应除去的微粒量G时，这部分微粒可通过氧化反应被除掉。
此外，有时可能还存在一些情况由于某种原因，或者即使以上述方式保持排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF，但微粒仍以层状结构沉积在微粒过滤器22上。在这种情况下，如果部分废气或所有废气的空气-燃料比临时很大，那么沉积在微粒过滤器22上的微粒就会不发出光焰地被氧化掉。即，如果废气的空气-燃料比很大，就是说，如果废气中氧的浓度很低，那么活性氧O就会立刻从活性氧释放剂61中全部释放到外部。被立刻全部释放出来的活性氧O所覆盖的微粒将在短时间内通过氧化反应被除掉，而且不发出光焰。
另外，如果空气-燃料比保持很低，那么铂Pt的表面就会被氧覆盖，这样就使铂Pt产生氧中毒的现象。如果发生了氧中毒现象，那么NOX的氧化反应就会减弱，因此从活性氧释放剂61中释放出的活性氧的量就会降低。但是，如果空气-燃料比很大，铂Pt表面的氧被消耗，那么也就消除了氧中毒的现象。因此，如果空气-燃料比从较高变为较低，那么NOX的氧化反应就会更剧烈，这样，NOX的吸收效率也就更高，因此从活性氧释放剂61中释放出来的活性氧的量就会增加。
因此，当空气-燃料比保持较低时，如果空气-燃料比在某一时刻从较低变成较高，每次都可以消除铂Pt的氧中毒现象。因此，当空气-燃料比较低时，活性氧的释放量增加，因此可以促进微粒在微粒过滤器22上的氧化反应。
在图6中，可通过氧化反应除去的微粒量G被表示成一个仅与微粒过滤器22的温度TF有关的函数，但是，可通过氧化反应除去的颗粒量G实际上是废气中氧的浓度、废气中NOX的浓度、废气中未燃烧的碳氢化物的浓度、微粒氧化的容易程度、废气在微粒过滤器22中的空间速度、废气的压力等参数的函数。因此，最好在考虑到包括微粒过滤器22的温度TF在内的所有上述因素的影响的情况下计算出可通过氧化反应除去的微粒量G。
在这些因素中，对可通过氧化反应除去的微粒量G影响最大的因素就是微粒过滤器22的温度TF。影响较大的因素是废气中氧的浓度和NOX的浓度。图7A示出了当微粒过滤器22的温度TF和废气中氧的浓度变化时可通过氧化反应除去的微粒量G的变化情况。图7B示出了当微粒过滤器22的温度TF和废气中NOX的浓度变化时，可通过氧化反应除去的微粒量G的变化情况。应该注意到，在图7A和7B中，虚线表示当废气中的氧浓度和NOX浓度为基准值时的情况。在图7A中，〔O2〕1表示当尾气中的氧浓度高于基准值时的情况，而〔O2〕2表示当氧浓度高于〔O2〕1时的情况。在图7B中，〔NO〕1表示当尾气中的NOX的浓度高于基准值时的情况，〔NO〕2表示当尾气中的NOX的浓度高于〔NO〕1时的情况。
如果尾气中的氧浓度变高，那么可通过氧化反应除去的微粒量G就增加。由于吸入活性氧释放剂61中的氧量得到进一步增加，因此，从活性氧释放剂61中释放出的活性氧也会增加。因此，如图7A所示，尾气中氧的浓度越高，可通过氧化反应除去的微粒量G也就越多。
另外，如前所述，尾气中的NO在铂Pt的表面被氧化并变成NO2。这样形成的部分NO2被吸入活性氧释放剂61内，而其余的NO2从铂Pt的表面游离到外部。此时，如果铂Pt与NO2接触，那么就会促进氧化反应。因此，如图7B所示，尾气中NOX的浓度越高，可通过氧化反应除掉的微粒量G也就越多。但是，仅当尾气的温度介于约250℃至约450℃之间时，能够通过NO2促进微粒的氧化反应的作用才能出现，如图7B所示，如果尾气中NOX的浓度变高，那么可通过氧化反应除去的微粒量G也将增加，此时微粒过滤器22的温度TF应该介于250℃至约450℃之间。
如上所述，最好在对所有影响可通过氧化反应除去的颗粒量G的因素进行考虑后，再计算通过氧化反应可除去的微粒量G。但在本发明的实施例中，可通过氧化反应除去的微粒量G是仅根据微粒过滤器22的温度TF和废气中氧的浓度及NOX的浓度计算出来的，而温度TF是在所有因素中对可通过氧化反应除去的微粒量G影响最大的一个因素，而废气中氧的浓度及NOX的浓度对微粒量G具有较大的影响。
就是说，在本发明的实施例中，如图8A至8F所示，在不同温度TF(200℃、250℃、300℃、350℃、400℃和450℃)下可通过氧化反应除去的微粒量G以图形的形式预先存储在ROM32中，而所述图形又是有关尾气中氧(O2)的浓度和NOX〔NO〕的浓度的函数。根据微粒过滤器22的温度TF、氧(O2)的浓度及NOX〔NO〕的浓度，通过如图8A至8F所示的图形中的比例分配关系计算出可通过氧化反应除去的微粒量G。
应该知道，尾气中氧(O2)的浓度和NOX〔NO〕的浓度可用氧浓度传感器和NOX浓度传感器检测出来。但在本发明的实施例中，尾气中氧(O2)的浓度以图9A所示的图形形式预先存储在ROM32内，而该图形又是所需扭矩TQ和发动机转速N的函数。尾气中NOX〔NO〕的浓度以图9B所示的图形形式作为所需扭矩TQ和发动机转速N的函数被预先存储在ROM32内。尾气中氧(O2)的浓度和NOX〔NO〕的浓度可通过这些图形计算出来。
另外，可通过氧化反应除去的微粒量G随发动机类型的不同而变化，但一旦发动机的类型被确定下来，那么微粒量G就是所需扭矩TQ和发动机转速N的函数。图10A表示出图1所示的内燃机的微粒排出量M。曲线M1、M2、M3、M4和M5示出了等量的微粒排出量(M1＜M2＜M3＜M4＜M5)。在图10A所示的实施例中，所需的扭矩TQ越高，那么微粒的排出量M也就越大。应该注意到图10A所示的微粒排出量M以图10B所示的图形形式作为所需扭矩TQ和发动机转速N的函数预先存储在ROM32中。
如上所述，根据本发明的实施例，一个由铝制成的载体层设置于微粒过滤器22的隔板54的两个侧面和隔板54的微孔的内壁上。贵金属催化剂和活性氧释放剂被放置在该载体上。另外，在本发明的该实施例中，载体携带有贵金属催化剂和NOX吸收剂，这种NOX吸收剂能够在流入微粒过滤器22中的尾气的空气-燃料比下降时，吸收包含在尾气中的NOX，并当流入微粒过滤器22中的尾气的空气-燃料比为化学计算的空气-燃料比或变大时，其能够释放被吸收的NOX。
在本发明的该实施例中，铂Pt被用作贵金属催化剂。而NOX吸收剂则采用下述成分中的至少一种碱金属，例如钾K、钠Na、锂Li、铯Cs和铷Rb；碱土金属，例如钡Ba、钙Ca和锶Sr；稀土金属，例如镧La和钇Y。应该知道，通过与包括有上述活性氧释放剂的金属相比可以理解，包括NOX吸收剂的金属和包括活性氧释放剂的金属在很大程度上保持一致。
这样就可以将不同的金属或相同的金属用作NOX吸收剂和活性氧释放剂。当将相同的金属用作NOX吸收剂和活性氧释放剂时，NOX吸收剂的作用和活性氧释放剂的作用是同时进行的。
下面，以将铂Pt用作贵金属催化剂，将钾K用作NOX吸收剂的情况作为一个实例对NOX的吸收和释放反应加以说明。
首先，考虑NOX的吸收反应，NOX通过与图4A所示相同的机理被吸收在NOX吸收剂中。但是，在图4A所示的情况下，附图标记61表示NOX吸收剂。
当流入到微粒过滤器22中的尾气的空气-燃料比降低时，由于在尾气中含有很多的过量氧，如果尾气流入微粒过滤器22的尾气流入通道50内，如图4A所示，那么氧O2就会以O2-或O2-的形式附着在铂Pt的表面上。另外，尾气中的NO与铂Pt表面上的O2-或O2-发生反应，生成NO2()。接下来，所生成的部分NO2被吸附在NOX吸收剂61内，同时在铂Pt表面上被氧化并以硝酸根离子NO3-的形式分布在NOX吸收剂61内，如图4A所示，而且还与钾K结合。某些硝酸根离子NO3-生成了硝酸钾K2NO3。这样，NO就被吸收在NOX吸收剂61内。
另外，当流入微粒过滤器22内的尾气的浓度较高时，硝酸根离子NO3-就会分解成氧O和NO，接着，NO就从NOX吸收剂61上被连续释放出来。因此，当流入微粒过滤器22的尾气中的空气-燃料比较高，那么NO就会在短时间内从NOX吸收剂61上释放出来。此外，由于释放出来的NO减少，因此不会有NO排放到大气中去。
应该知道，在这种情况下，即使流入微粒过滤器22内的尾气的空气-燃料比为经过化学计算出来的空气-燃料比，NO仍然会从NOX吸收剂61上释放出来。但在这种情况下，由于NO只是逐渐从NOX吸收剂61上释放出来，因此要将所有吸收在NOX吸收剂61中的NOX释放出来需要花费稍长的一段时间。
如上所述，也可以将不同的金属用作NOX吸收剂和活性氧释放剂。但在本发明的该实施例中，使用了相同的金属作NOX吸收剂61和活性氧释放剂。在这种情况下，如上所述，NOX吸收剂61的功能和活性氧释放剂的功能是同时进行的。从这一点上看，同时执行这两种功能的介质可被称为活性氧释放剂/NOX吸收剂。因此，在本发明的该实施例中，图4A中的附图标记61表示活性氧释放剂/NOX吸收剂。
当使用这样的活性氧释放剂/NOX吸收剂时，当流入微粒过滤器22内的尾气的空气-燃料比下降时，尾气中所含的NO就被吸收在活性氧释放剂/NOX吸收剂71内。如果尾气中所含的微粒附着在活性氧释放剂/NOX吸收剂61内，那么微粒将通过氧化反应在短时间内被尾气中的活性氧和从活性氧释放剂/NOX吸收剂61内释放出来的活性氧除掉。因此，这时，就可以防止将尾气中的微粒和NOX排放到大气中去。
另外，当流入微粒过滤器22内的尾气的空气-燃料比变大时，NO就会从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来。未燃烧的碳氢化合物和CO可以减少NO的量，因此这时也不会有NO被排放到大气中去。此外，沉积在微粒过滤器22上的微粒可通过从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来的活性氧的氧化反应而被除掉。
与参照图6所述的内容相同，从活性氧释放剂61释放活性氧的反应是从微粒过滤器22的温度相当低时就开始了。即使使用活性氧释放剂/NOX吸收剂61，情况依然如此。与此相反，活性氧释放剂/NOX吸收剂61吸收NOX的反应是在微粒过滤器22的温度TF高于活性氧开始释放的温度时开始的。这是因为如果氧被硝酸钾KNO3所消耗，而NOX的吸收反应只有在铂Pt被激活时才能开始，那么活性氧就会被释放。
图11示出了当将钾K用作活性氧释放剂/NOX吸收剂61时可通过氧化反应除去的微粒量G和NOX的吸收率。从图11可以看出，活性氧的释放反应是在微粒过滤器22的温度TF低于200℃时开始的，而NOX的吸收反应只有在微粒过滤器22的温度TF超过200℃时才开始。
另外，微粒过滤器22的温度TF越高，活性氧的释放反应也就越剧烈。与此相反，当微粒过滤器22的温度TF变高时，NOX的吸收反应就会停止。即，如果微粒过滤器22的温度TF超过一定的温度，在图11的实例中为约500℃，那么硝酸根离子NO3-或硝酸钾KNO3就会在热的作用下分解，而且NO就会从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来。在该状态下，NO的释放量就会大于NOX的吸收量，如图11所示，NOX的吸收率就会下降。
图11示出了当用钾作NOX吸收剂或活性氧释放剂/NOX吸收剂61时NOX的吸收率。在这种情况下，使NOX吸收率提高的微粒过滤器22的温度范围会随所用金属的不同而不同。例如，当将钡Ba用作NOX吸收剂或活性氧释放剂/NOX吸收剂61时，能够使NOX的吸收率提高的微粒过滤器的温度范围就比图11所示的用钾K的情况要窄一些。
如上所述，为了能够通过氧化反应除去尾气中的微粒，并不使微粒以层状结构沉积在微粒过滤器22上，就需要使排出的微粒量M小于可通过氧化反应除去的微粒量G。但，如果恰好使排出的微粒量M小于可通过氧化反应除去的微粒量G，那么用NOX吸收剂或活性氧释放剂/NOX吸收剂吸收NOX的反应就不会发生。为了保证用NOX吸收剂或活性氧释放剂/NOX吸收剂吸收NOX的反应进行，需要将微粒过滤器22的温度TF保持在使NOX的吸收反应能够发生的温度范围内。在这种情况下，能够使NOX的吸收反应发生的微粒过滤器22的温度范围必须是使NOX的吸收率大于一确定数值例如大于50％的温度范围。因此，当钾K被用作NOX吸收剂或活性氧释放剂/NOX吸收剂61时，从图11可以看出，微粒过滤器22的温度TF必须保持在250℃至500℃之间。
因此，在本发明的该实施例中，为通过氧化反应使微粒不以多层结构沉积在微粒过滤器22上的方式除去尾气中的微粒并吸收尾气中的NOX，排出的微粒量M应保持小于可通过氧化反应连续除去的微粒量G，而且微粒过滤器22的温度TF应保持在使微粒过滤器22的NOX吸收率大于一定值的温度范围内。就是说，排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF应保持在由图11中阴影部分所示能够对微粒和NOX进行同时处理的区域内。
即使排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度以这种方式保持在微粒和NOX的同步处理区域内，有时，排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度仍将移出微粒和NOX的同步处理区域。这样，在本发明的该实施例中，以下述方式控制排出的微粒量M、可通过氧化反应除去的微粒量G和微粒过滤器22的温度TF中的至少一个参数即使排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度在微粒和NOX的同步处理区域内移动。下面将参照图12对其进行说明。
首先，针对下述情况加以说明当排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度到达位于微粒和NOX的同步处理区域之外的点A时，如图12所示，即排出的微粒量M大于可通过氧化反应除去的微粒量G，而且微粒过滤器22的温度TF低于微粒和NOX的同步处理区域的下限。在这种情况下，如图中的箭头所示，通过升高微粒过滤器22的温度TF，排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF可以返回微粒和NOX的同步处理区域内。
接着，将针对下述情况加以说明当排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度到达位于微粒和NOX的同步处理区域之外的点B时，如图12所示，即排出的微粒量M大于可通过氧化反应除去的微粒量G，而且微粒过滤器22的温度TF落入微粒和NOX的同步处理区域的范围内。在这种情况下，如图中的箭头所示，可通过减少排出的微粒量M以使排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度返回到微粒和NOX的同步处理区域。
接下来，将对下述情况加以说明当排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF到达位于微粒和NOX的同步处理区域之外的点C时，如图12所示，即排出的微粒量M大于可通过氧化反应除去的微粒量G，而且微粒过滤器22的温度TF大于微粒和NOX的同步处理区域的上限温度。在这种情况下，如图中的箭头所示，可通过减少排出的微粒量M和降低微粒过滤器22的温度，从而使排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度返回微粒和NOX的同步处理区域内。
这样，当排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度落在微粒和NOX的同步处理区域外时，可通过减少排出的微粒量M或提高或降低微粒过滤器22的温度TF，而使排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度返回到微粒和NOX的同步处理区域内。应该知道，作为另外一种方法，还可以通过提高氧化反应能够除掉的微粒量G而使排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度返回到微粒和NOX的同步处理区域内。因此，下面将对减少排出的微粒量M的方法、提高或降低微粒过滤器22的温度TF的方法和提高氧化反应所能够除去的微粒量G的方法加以说明。
接下来，将对通过低温燃烧来控制排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度TF的方法加以说明。
在图1所示的发动机中，如果提高废气的循环率-EGR率(EGR气体量/(EGR的气体量+吸入的空气量))，那么所产生的烟量就会逐渐增加并达到最大值。如果进一步提高EGR率，那么所产生的烟量就迅速减少。参照附图13，对其进行说明，图13示出了当改变EGR气体的冷却程度时EGR率和烟之间的关系。应该知道，在图13中，曲线A示出了对EGR气体进行强制冷却以使EGR气体的温度保持在90℃时的情况，曲线B示出了通过一小型冷却设备对EGR气体进行冷却时的情况，曲线C示出了对EGR气体进行非强制冷却时的情况。
如图13的曲线A所示，当对EGR气体进行强制冷却时，在EGR率略微小于50％时，所产生的烟量最大。在这种情况下，如果使EGR率大于55％，那么就几乎没有烟产生。另外，如图13中的曲线B所示，当对EGR气体进行轻微冷却时，当EGR率略大于50％时，产生的烟量将达到最大值。在这种情况下，如果使EGR率大于65％，那么就几乎没有烟产生。此外，如图13中的曲线C所示，当EGR气体未受到强制冷却时，EGR率在55％附近所产生的烟量将达到最大值。在这种情况下，当EGR率超过约70％时，几乎没有烟产生。
当EGR率大于55％时不再产生烟的原因在于EGR气体的吸热反应，燃烧时，燃料的气体温度及其周围的温度不会很高，即，在低温燃烧过程中，碳氢化合物不会生成烟。
不论空气-燃料比是多大，这种低温燃烧都具有抑制烟的产生的特性和减少NOX的生成量的特性。就是说，当空气-燃料比变大时，燃料就会过多，但由于燃烧温度被控制在一个较低的温度下，因此过剩的燃料不会生成烟，因此也就没有烟雾产生。另外，此时，仅有极少量的NOX生成。此外，当平均空气-燃料比变小时，或当空气-燃料比为经过化学计算的空气-燃料比时，如果燃烧温度较高，那么就会生成少量的烟，但在低温燃烧条件下，燃烧温度被控制在一个较低的温度下，因此根本没有烟雾产生，而且仅生成了极少量的NOX。
另外，如果进行低温燃烧，那么燃料及其周围的气体温度会变低，但尾气的温度则升高。现参照图14A和14B对这一点进行说明。
图14A中的实线示出了当进行低温燃烧时，燃烧室5内的平均气体温度Tg和曲柄角之间的关系，而图14A中的虚线示出了当进行正常燃烧时，燃烧室5内的平均气体温度Tg和曲柄角之间的关系。此外，图14B中的实线示出了当进行低温燃烧时，燃料及其周围环境的气体温度之间的关系，而图14B中的虚线示出了当进行正常燃烧时，燃料及其周围的气体温度Tf与曲柄角之间的关系。
低温燃烧时的EGR气体量大于正常燃烧时的EGR气体量。因此，如图14A所示，在到达压缩行程的上死点之前，即在压缩行程中，由实线所示的低温燃烧时的平均气体温度Tg高于由虚线所示的正常燃烧时的平均气体温度Tg。应该知道，此时，如图14B所示，燃料及其周围的气体温度Tf约等于平均气体温度Tg。
接下来，在压缩行程的上死点附近开始燃烧。在这种情况下，在低温燃烧过程中，如图14B中的实线所示，由于EGR气体的吸热反应，燃料及其周围环境的气体温度Tf不会变高。与此相反，在正常燃烧过程中，燃料周围存在有大量的氧，如图14B中的虚线所示，燃料及其周围的气体温度Tf将变得非常高。当以这种方式进行正常燃烧时，燃料及其周围的气体温度Tf与低温燃烧时的情况相比将变得非常高，但与低温燃烧的情况相比，进行正常燃烧时气体的温度较低，这与大部分情况不同。因此，如图14A所示，在压缩行程的上死点附近，低温燃烧时燃烧室5内的平均气体温度Tg高于正常燃烧时燃烧室内的平均温度Tg。这样，如图14A所示，当燃烧结束时，在低温燃烧情况下燃烧室5内已燃气体的温度高于正常燃烧时的温度。因此，在低温燃烧过程中，尾气的温度变高。
如果以这种方式进行低温燃烧，那么所产生的烟雾量，即排出的颗粒量M较少，而尾气的温度将会升高。因此，在发动机的工作过程中，当从正常燃烧变换到低温燃烧时，排出的微粒量M将减少，而微粒过滤器22的温度TF将升高。与此相反，当从低温燃烧切换到正常燃烧时，微粒过滤器的温度TF将下降。但此时，排出的微粒量M增加。不论属于哪种情况，都可以通过在正常燃烧和低温燃烧之间进行切换来控制排出的微粒量M和微粒过滤器22的温度。
如果发动机的所需扭矩TQ变大，即如果燃料的喷射量变大，那么燃烧时燃料及其周围的气体温度将会较高，这样就使低温燃烧变得很困难。就是说，只有当发动机以中等载荷或低载荷操作时才可能进行低温燃烧，而发动机在中等载荷或低载荷操作时，由燃烧产生的热量较少。在图15中，区域I示出了第一燃烧的操作区域，在第一燃烧过程中，与产生的烟灰最多的情况相比，燃烧室5内存在有更多的惰性气体，即，在该区域内，能够进行低温燃烧；而区域II示出了第二燃烧的操作区域，在第二燃烧过程中，与产生的烟灰最多的情况相比，燃烧室5内存在较少的惰性气体，即，在该区域内可以进行正常燃烧。
图16示出了在操作区域I内进行低温燃烧时的目标空气-燃料比A/F，而图17示出了当在操作区域I内进行低温燃烧时，根据所需扭矩TQ确定的节流阀17的开启程度、EGR控制阀25的开启程度、EGR率、空气-燃料比、喷射开始时刻θS、喷射结束时刻θE和喷射量。应该注意到，图17还示出了节流阀17在操作区域II内进行正常燃烧时的开启程度。
从图16和17可以理解当在操作区域I内执行低温操作时，EGR率大于55％，空气-燃料比A/F是约为15.5至18的较低空气-燃料比。如上所述，当在操作区域I内执行低温燃烧时，即使空气-燃料比很高，也几乎没有烟雾生成。
下面将对用于提高尾气中氧浓度从而提高通过氧化反应可除去的微粒量G的方法加以说明。如果尾气中的氧浓度增加，那么被活性氧释放剂61吸收的氧量也增加，从而使从活性氧释放剂61中释放出来的活性氧的量也增加，因此通过氧化反应除去的微粒量G也就增加。
作为执行该方法的一种方法，将涉及到控制EGR率的方法。即，当需要提高通过氧化反应除去的微粒量G时，应减小EGR控制阀25的开启程度，从而使EGR率下降。EGR率的下降意味着在吸入空气中吸入空气量的比率升高。因此，如果EGR率下降，那么尾气中氧的浓度就会升高。结果，排出的微粒量M就会增加。此外，如上所述，如果EGR率下降，那么排出的微粒量M下降。因此，如果EGR率下降，那么排出的微粒量M迅速低于可通过氧化反应除去的微粒量G。
如上所述，当尾气中空气-燃料比较低时，尾气中的NOX就会被吸收在活性氧释放剂/NOX吸收剂61内。但，NOX吸收剂61对NOX的吸收能力存在一个限度。在活性氧释放剂/NOX吸收剂61的NOX的吸收能力达到饱和之前，需要从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出NOX。因此，就需要估计被活性氧释放剂/NOX吸收剂61吸收的NOX的量。因此，在本发明的该实施例中，以图18所示的图形形式作为所需扭矩TQ和发动机转速N的函数预先设定了每单位时间内NOX的吸收量。通过对每单位时间内的NOX吸收量进行累加，可以估算出被活性氧释放剂/NOX吸收剂61吸收的NOX量∑NOX。
此外，在本发明的该实施例中，当NOX的吸收量∑NOX超过一个预定的最大允许值MAXN时，进入活性氧释放剂/NOx吸收剂61内的尾气的空气-燃料比就会临时变大。因此，NOX就会从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来。
但是，尾气中还含有SOX。活性氧释放剂/NOX吸收剂61不仅要吸收NOX，而且还要吸收SOX。活性氧释放剂/NOX吸收剂61吸收SOX的机理与吸收NOX的机理相同。
现结合在载体上携带有铂Pt和钾K的实例对其机理进行说明，其机理与吸收NOX的机理相同，即如上所述，当尾气中的空气-燃料比较低时，氧O2以O2-或O2-的形式附着在铂Pt的表面上。尾气中的SO2与铂Pt表面上的O2-或O2-反应，生成SO3。接着，所生成的部分SO3被活性氧释放剂61所吸收，同时在铂Pt上氧化并以硫酸根离子SO42-的形式分布在活性氧释放剂/NOX吸收剂61内，而且还与铂Pt结合，生成硫酸盐K2SO4。
这种硫酸盐K2SO4是稳定的，而且不易分解。如上所述，即使尾气中的空气-燃料比很高，以使NOX从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来，硫酸盐K2SO4仍然保持稳定，而不会分解。因此，随着时间的推移，活性氧释放剂/NOX吸收剂61中的硫酸盐K2SO4将会逐渐增加。因此，活性氧释放剂/NOX吸收剂61能够吸收的NOX量将会随着时间的推移而下降。
当活性氧释放剂/NOX吸收剂61的温度超过由活性氧释放剂/NOX吸收剂61决定的某一温度时，例如约为600℃时，硫酸盐K2SO4将会分解。此时，如果流入活性氧释放剂/NOX吸收剂61中的尾气的空气-燃料比很高，那么SOX就会从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来。但是，与NOX从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来的情况相比，SOX从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来需要花费相当长的时间。
因此，在本发明的该实施例中，当SOX将从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来时，活性氧释放剂/NOX吸收剂61的温度将升高到600℃，同时保持空气-燃料比较低，而且排出的微粒量M少于通过氧化反应可除去的微粒量G，然后SOX就可以从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来，而流向活性氧释放剂/NOX吸收剂61的尾气的空气-燃料比会在较高和较低之间变换。
此外，当活性氧释放剂/NOX吸收剂61的温度TF升高到约600℃时，空气-燃料比将保持很低的状态，而排出的微粒量M少于通过氧化反应可除去的微粒量G。因此，这时即使微粒沉积在微粒过滤器22上，沉积下来的微粒也能够在活性氧释放剂/NOX吸收剂61的温度TF升高到约600℃时通过氧化反应除掉。
此外，还有多种不同的方法用于将流入活性氧释放剂/NOX吸收剂61中的尾气的空气-燃料比升高到能够使NOX或SOX从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来的程度。例如，当进行低温燃烧时，通过在低温燃烧过程中使燃烧室5中的空气-燃料比保持很高，可使流入活性氧释放剂/NOX吸收剂61中的尾气的空气-燃料比很高。
另外，如上所述，当使尾气中的空气-燃料比很高时，活性氧将立刻从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中全部释放出来。因此，沉积在微粒过滤器22上的微粒可被迅速氧化。但是，此后，如果尾气中的空气-燃料比继续保持很高，那么氧就不会存储在活性氧释放剂/NOX吸收剂61中。而且，在尾气中几乎不存在氧。因此，微粒就会以多层结构沉积在微粒过滤器22上，而不会被氧化掉。
因此，在本发明的该实施例中，当释放SOX时，需要空气-燃料比长时间保持很高的水平，流入活性氧释放剂/NOX吸收剂61中的尾气的空气-燃料比就会以上述方式在高和低之间交替变换。这样，当尾气中的空气-燃料比较低时，微粒过滤器22上的微粒就可被尾气中的活性氧或从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来的活性氧通过氧化反应除掉。因此就可以防止微粒以层状结构沉积在微粒过滤器22上。
下面，将参照图26对NOX将从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来时NOX释放标志的设定和SOX将从活性氧释放剂/NOX吸收剂61中释放出来时SOX释放标志的设定的处理程序加以说明。应该知道，该程序是在每个固定时间间隔内间断执行的。
参照图19，首先，在步骤100，由图18的图形计算出每个单位时间内NOX的吸收量A。接着，在步骤101，将A加到NOX的吸收量∑NOX中。然后，在步骤102，判断NOX的吸收量∑NOX是否大于最大允许值MAXN。当∑NOX＞MAXN时，程序就会转入步骤103，设定用于表明NOX将要释放的NOX释放标志。接着，程序转入步骤104。
在步骤104，常量k与喷射量Q的乘积K·Q与∑SOX相加。由于燃料中含有一定量的硫S，因此，被活性氧释放剂/NOX吸收剂61所吸收的SOX量可由表达式kQ表示。因此，通过将kQ连续地加在一起得出的∑SOX就表示将被活性氧释放剂/NOX吸收剂61所吸收的SOX估算量。在步骤105，判断SOX的量∑SOX是否超过最大允许值MAXS。当∑SOX＞MAXS时，程序转入步骤106，在该步骤106设定SOX的释放标志。
下面，将参照图27和28对操作的控制加以说明。
参照图20和21，首先，在步骤200，判断是否设定了SOX的释放标志。当没有设定SOX的释放标志时，程序就会转入步骤201，在该步骤中，判断微粒过滤器22的温度TF是否低于在图11中由阴影部分表示的微粒和NOX同步处理区域的温度的下限Tmin，例如250℃。当TF＜Tmin时，程序转入步骤202，在该步骤中，执行一种用于升高微粒过滤器22的温度TF的方法。接着，程序转入步骤207。
另外，当在步骤201中判断出TF≥Tmin时，程序将转入步骤203，该步骤将判断微粒过滤器22的温度TF是否高于在图11中由阴影部分表示的微粒和NOX同步处理区域的温度的上限Tmax，例如500℃。当TF＞Tmax时，程序转入步骤204，该步骤执行一种用于降低微粒过滤器22的温度TF的方法。接下来，程序转入步骤207。
此外，当在步骤203中判断出TF≤Tmax时，程序转入步骤205，该步骤判断出排出的微粒量M是否大于通过氧化反应可除去的微粒量G。当M＞G时，程序转入步骤206，在该步骤中，一种用于降低排出的微粒量M的方法或一种用于提高通过氧化反应可除去的微粒量G的方法被执行。接着，程序转入步骤207。
另外，当在步骤205判断出M≤G时，程序转入步骤207。在步骤207，判断出是否设定了NOX标志。当NOX释放标志已经设定时，程序转入步骤208，在该步骤中，对节流阀17的开启程度进行控制，接着转入步骤209，对EGR控制阀25的开启程度进行控制。接着，在步骤210，对燃料的喷射进行控制。
与此相反，当在步骤207中判断出已经设定了NOX释放标志时，那么程序转入步骤211，在该步骤中，对节流阀17的开启程度进行控制。接着，在步骤212中，对EGR控制阀25的开启程度进行控制。接下来，在步骤213，一种用于使尾气中的空气-燃料比临时变高的方法被执行，以释放NOX并重新设定NOX释放标志。
此外，当在步骤200判断出SOX释放标志已经设定时，程序转入步骤214，在该步骤中，判断微粒过滤器22的温度TF是否大于SOX能够释放的温度，例如600℃。当TF≤600℃时，程序转入步骤215，对节流阀17的开启程度进行控制，然后在步骤216，对EGR控制阀25的开启程度进行控制。
接下来，在步骤217，判断出排出的微粒量M是否大于通过氧化反应可除去的微粒量G。当M＞G时，程序转入步骤218，在该步骤中，一种用于降低排出的微粒量M的方法或一种用于提高通过氧化反应可除去的微粒量G的方法被执行。接着，在步骤219，一种用于将微粒过滤器22的温度TF升高到约600℃的方法被执行。
另外，当在步骤214判断出TF＞600℃时，程序转入步骤220，在该步骤中，对节流阀17的开启程度进行控制，接着，在步骤221，对EGR控制阀25的开启程度进行控制。然后，在步骤222，通过使尾气中的空气-燃料比在高和低之间切换，来控制SOX的释放，以使SOX从活性氧释放剂/SOX吸收剂61中释放出来。
接着，在步骤223，从SOX的总量∑SOX中减去SOX的释放量ΔSOX。SOX的释放量ΔSOX可以等于一个确定的数值或根据发动机的操作状态而变化。接着，在步骤224，判断出SOX的总量∑SOX是否为负。当∑SOX＜0时，程序转入步骤225，在该步骤中，重新设定NOX的释放标志和SOX的释放标志。
总之，在内燃机中，当发动机以低载荷运转时，尾气的温度较低。因此，有时很难使通过氧化反应除去微粒的量G大于排出的微粒量M。但，如果执行上述的低温燃烧，那么排出的微粒量M就会极少。另外，由于尾气的温度很高，因此微粒过滤器22的温度TF也变高。因此，即使在发动机的低载荷运转过程中，也可以很容易地增加排出的微粒量M。因此，可以说，低温燃烧非常适合本发明的尾气净化装置。
如上所述，这种低温燃烧仅在图15所示的下侧操作区域I内进行，而且不会在高载荷侧的操作区域II内进行。因此，即使当执行低温燃烧时，也仅当发动机的操作状态处于图15中的操作区域I内时才会进行低温燃烧。当发动机的操作状态超出边界X(N)并变换到操作区域II时，低温燃烧也就变成了正常燃烧。就是说，低温燃烧是在操作区域I内进行的，而正常燃烧是在操作区域II内进行的。
参照图22至25，对该实施例的旁通(分流)机构加以说明。排气管20a与一个尾气流换向管80相连接。该尾气流换向管80具有三个开口。这些开口分别与第一尾气支管81a、第二尾气支管81b和排气管82相连接。
就是说，在尾气流换向管80内，成对的第一和第二尾气支管81a、81b从排气管20a分叉。第一尾气支管81a与微粒过滤器22的一端相连接。另外，第二尾气支管81b与微粒过滤器22的另一端相连接。就是说，第一和第二尾气支管81a、81b相互连接，从而形成一个环形的尾气通道。
微粒过滤器22设置于该环形尾气通道内。下面，为便于说明，将微粒过滤器22上与第一尾气支管81a相连接的那端称为第一端，将微粒过滤器22上与第二尾气支管81b相连接的那端称为第二端。
一个开关阀80a设置在尾气流换向管80内。通过改变开关阀80a的转动位置，使尾气的流入可在下述两种方式之间变换通过第一尾气支管81a使尾气流入微粒过滤器22的第一端和通过第二尾气支管81b使尾气流入微粒过滤器22的第二端；而且尾气可以不经过微粒过滤器22而直接流入到排气管80内。
当开关阀80a定位于图22所示的第一转动位置上时，尾气流换向管80上游的尾气通过第一尾气支管81a在第一端流入微粒过滤器22内，如图22中的箭头所示。在第一端流入微粒过滤器22的尾气在第二端流出微粒过滤器22并通过第二尾气支管81b流向尾气流换向管80下游的排气管82。
此外，当开关阀80a定位于图24所示的第二转动位置上时，位于尾气流换向管80上游的尾气在第二端通过第二尾气支管81b流入微粒过滤器22。在第二端流入微粒过滤器22的尾气在第一端从微粒过滤器22流出并通过第一尾气支管81a进入位于尾气流向开关阀80之下游的排气管82内。
在该实施例中，具体细节如下所述，开关阀80a的转动位置每隔一段时间就在第一和第二转动位置之间交替变化一次，以改变尾气流入微粒过滤器22的方向。因此，微粒将流入微粒过滤器22内或其隔板54内，从而通过氧化反应除去微粒。
当开关阀80a定位于恰好位于第一和第二转动位置之间的一个中间位置上时，如图25所示，位于尾气流换向管80之上游的尾气不经过微粒过滤器22直接流入位于尾气流换向管80之下游的排气管82内，如图25中的箭头所示。
在该中间位置上，微粒过滤器22之第一端上的尾气压力基本等于微粒过滤器22之第二端上的尾气压力，因此，大部分尾气都不会流入微粒过滤器22。因此，尾气被迫绕过微粒过滤器22，以使流入微粒过滤器22的尾气量基本为零。
即使通过上述的尾气净化方法在微粒过滤器22中以氧化反应除去微粒，但微粒有时仍然会沉积在微粒过滤器22的表面上。如果微粒仍然沉积在微粒过滤器22上，那么沉积下来的微粒将覆盖微粒过滤器22的表面，这样，尾气就不能穿过微粒过滤器22。
因此，在该实施例中，当沉积在微粒过滤器22的表面上的微粒量大于预定的量，那么就会使沉积下来的微粒进行强制氧化或逐渐燃烧，以从微粒过滤器22上除去微粒。可以通过将微粒过滤器22的温度升高到一定的温度值(例如，能够使微粒氧化的温度)而使沉积下来的微粒氧化或逐渐燃烧。
例如，可通过向微粒过滤器22进送氧和碳氢化合物并使氧和碳氢化合物在微粒过滤器22内燃烧的方法来提高微粒过滤器22的温度。
此外，当发动机处于低温燃烧状态下时，就会有高温废气从发动机内排出，还可以通过进行低温燃烧来提高微粒过滤器22的温度。
在该实施例中，当沉积下来的微粒量较多时，能够使微粒过滤器22的温度升高到一定温度(例如微粒氧化温度)的升温程序就会被执行，以对沉积下来的微粒进行强制氧化或使其逐渐燃烧。
但是，在温度升高的过程中，沉积下来的微粒可能全部会立刻燃烧。此外，在不执行升温程序的情况下，当微粒过滤器22的温度超过一个能够使微粒被点燃并立刻以发出光焰的形式完全燃烧的温度时，沉积下来的全部微粒就会立刻燃烧起来。在这种情况下，微粒过滤器22的温度就会迅速升高。
因此，微粒过滤器22的局部就可能被熔化，而且可能被微粒燃烧所产生的热量损坏。另外，安装在微粒过滤器22上的活性氧释放剂也可能由于微粒燃烧所产生的热量而老化。为防止微粒过滤器22熔化或防止活性氧释放剂产生老化，最好能够防止沉积下来的微粒燃烧。
但是，如果沉积下来的微粒不燃烧，那么沉积下来的微粒量就会逐渐增加，从而就抑制了微粒过滤器22上的微粒的氧化反应。因此，微粒过滤器就不能通过氧化反应除去微粒。此外，如果微粒过滤器22的隔板54上的微孔被沉积下来的微粒塞住，那么废气就不能流过微粒过滤器22。
在该实施例中，可以判断出微粒过滤器22是否产生热老化现象。当判断出微粒过滤器22将产生热老化现象时，开关阀80a的转动位置可被设定在中间位置上，以迫使尾气绕过微粒过滤器22。这样，氧就不会进送到微粒过滤器22内，因此，沉积下来的微粒也就不会燃烧。
此外，当判断出微粒过滤器22不会产生热老化现象时，开关阀80a的转动位置就被定位在第一或第二位置上，以使尾气流入微粒过滤器22。这样，氧就被进送到微粒过滤器22内，从而对沉积下来的微粒实施强制氧化或逐渐燃烧措施。
下面将根据该实施例对用于判断微粒过滤器是否将被热损坏的方法加以说明。通常情况下，沉积下来的微粒量越大，那么由沉积微粒全部立刻燃烧所产生的热量也就越大。因此，当沉积微粒的量很大时，微粒过滤器22产生热老化的可能性也就越大。就是说，可根据沉积下来的微粒量来判断微粒过滤器22是否将产生热老化现象。
我们认为，可以根据微粒过滤器22的上游和下游尾气的压力差(压力损失)来估算沉积下来的微粒量。根据最新的研究结果，我们发现即使压力损失很小，沉积下来的微粒量有时也会很多。
这是因为微粒PM沉积在隔板54上，如图26所示，因此，沉积微粒不会堵住隔板54的微孔入口。使微粒过滤器22产生热老化现象的原因主要有两个，即由沉积下来的微粒燃烧所产生的大量的热和从微粒过滤器22散发出去的热量很少。
流入微粒过滤器22的氧数量越多，由沉积微粒的燃烧所产生的热量也就越多。而且流入微粒过滤器22的尾气量越少，从微粒过滤器22散发出去的热量也就越少。
在该实施例中，如果微粒过滤器22的温度高于微粒的燃点，那么当流入微粒过滤器22的氧气量很大，或者流入微粒过滤器22的尾气量很小时，就可以判断出微粒过滤器22将被热损坏。
另外，当流入微粒过滤器22的氧气量很少，或者流入微粒过滤器22的尾气量很大，即使微粒过滤器22的温度超过微粒的燃点，也可以判断出微粒过滤器22不会受到热损坏。
这样，如果考虑到微粒过滤器22产生热老化的可能性，那么就可以在不使微粒过滤器22产生热老化的前提下从微粒过滤器22上除去沉积下来的微粒。
下面，将参照图27至29，对用于控制开关阀的方法，包括上述用于防止微粒过滤器产生热老化的方法和使沉积下来的微粒产生氧化反应的方法加以详细说明。
对开关阀80a的转动位置进行控制，以根据图27的流程图使其从第一转动位置变换到第二转动位置，或从第二转动位置变换到第一转动位置。
首先，在步骤250，判断出是否处于改变开关阀80a的转动位置的时间。时间可以是一个每次已经经历过的恒定周期，或者是流入微粒过滤器22内的微粒总量达到一个恒定量的时间，或者是发动机减速时的时间。
在步骤250，当判断出是应该改变开关阀80a的转动位置的时间时，程序转入步骤251，在该步骤中，开关阀80a的转动位置被改变。
另外，在步骤250，当判断出不是应该改变开关阀80a的转动位置的时间时，在不改变开关阀80a的转动位置的前提下，程序转入步骤252。
在步骤252，判断流入微粒过滤器22的微粒量Apm(在下文中称之为微粒的流入量)是否超过一个预定量ApmTH(Apm＞ApmTH)。微粒的流入量可用排出的微粒的累加量，或者可用通过微粒过滤器22所产生的压力损失(如果在微粒过滤器22的上游和下游之间存在压力损失)，或者利用氧化反应除去的微粒量和排出的微粒量之间的差值，或者利用设置在微粒过滤器22的下游用于检测微粒浓度的传感器的输出值来计算。
在步骤252，当判断出Apm＞ApmTH时，程序转入步骤253，在该步骤中，执行温度升高程序，用于将微粒过滤器22的温度升高到微粒的氧化温度，以使沉积下来的微粒产生氧化。
另外，在步骤252中，当判断出Apm≤ApmTH时，程序转入步骤254，而不是执行升温程序。
在步骤254，根据流程图28执行用于防止产生热老化的程序。
下面将参照图28对防止产生热老化的程序加以说明。首先，在步骤300，判断出微粒过滤器22的温度是否超过一个预定的温度值(例如微粒的点燃温度)TFTH(TF＞TFTH)。
在步骤300，当判断出TF≤TFTH时，我们认为微粒过滤器22不会产生热老化现象。接着，结束该程序。
另外，在步骤300，当判断出TF＞TFTH时，程序转入步骤301，在该步骤中，根据图29A和29B判断本发动机的操作状态A是否位于区域D(A＝D)内。在图29A和29B的图形中，区域D是一个将使微粒过滤器22产生热损坏的危险区域，而区域S是一个不会使微粒过滤器22产生热损坏的安全区域。
图29A示出了当发动机在空气-燃料比较低的情况下的操作时所采用的图形。根据图29A的图形，吸入的空气量越少，那么经过微粒过滤器22的尾气量也越少。因此，当从微粒过滤器22散发出来的热量很小时，发动机的操作状态A处于危险区域D内的可能性就很高。
此外，尾气中氧的浓度Co越高，那么流入微粒过滤器22内的氧气量也越大。因此，当尾气中氧的浓度Co很大时，发动机的操作状态A处于危险区域D内的可能性也很高。
当尾气中碳氢化合物(HC)的浓度Chc变大时，一条用于将危险区域D与安全区域S分开的曲线Lds将朝向安全区域S移动。就是说，当尾气中HC的浓度Chc变大时，发生热老化的可能性也变大。
此外，图29B示出了在空气-燃料比接近经化学计算得出的较低空气-燃料比时，或者在其空气-燃料比基本等于经化学计算得到的空气-燃料比时，或者在较高的空气-燃料比时，发动机操作所用的图形。
根据图29B的图形，吸入的空气量越少，那么发动机的操作状态A落入危险区域D内的可能性也就越大。
另外，尾气中氧的浓度Co越高，那么发动机的操作状态A落入危险区域D的可能性也就越大。
当尾气中碳氢化合物(HC)的浓度Chc变大时，一条用于将危险区域D与安全区域S分开的曲线Lds将朝向危险区域D移动。就是说，当尾气中HC的浓度Chc变小时，发生热老化的可能性变大。
根据空气-燃料比，随着尾气中HC浓度的变化而使热老化的可能性变化的原因如下所述。
当发动机在较低的空气-燃料比的情况下操作时，尾气中氧的浓度很高。因此，即使尾气中的HC浓度变大，尾气中的氧与HC反应从而被消耗，残留在尾气中的氧气量仍然足以在短时间内使沉积在微粒过滤器22上的微粒燃烧。
另外，如果尾气中的HC浓度变大，那么与氧反应的HC量也变大。因此，微粒过滤器22的温度将通过HC与氧的反应而急剧升高，从而使热老化的可能性变大。
此外，当发动机在空气-燃料比接近经化学计算得出的较低空气-燃料比的情况下，或者在其空气-燃料比等于经化学计算得到的空气-燃料比的情况下，或者在较高的空气-燃料比下操作时，尾气中氧气量最初很少。因此，当尾气中的HC浓度变大，而且尾气中的HC与氧反应时，残留在尾气中的氧气量不足以使所有的沉积微粒立刻燃烧，这样，与发动机在空气-燃料比偏低的情况下工作状态相比，产生热老化的可能性就变小。
在步骤301，当判断出A＝D时，我们认为微粒过滤器22将产生热老化，程序转入步骤302，在该步骤中，对开关阀进行控制，以使开关阀的转动位置位于中间位置上，接着，程序转入步骤303。
在步骤303，判断发动机的操作状态A是否位于安全区域S内(A＝S)。在步骤303，当判断出A＝S时，程序转入步骤304。此外，在步骤303，当判断出A≠S，即A＝D时，继续执行步骤303，直到在步骤303判断出A＝S。因此，在开关阀80a的转动位置在步骤302定位于中间位置上时，开关阀80a的转动位置被固定在中间位置上，直到在步骤303判断出A＝S。
在步骤301，如果判断出A≠D，即A＝S时，就可以认为微粒过滤器22不会产生热老化，接着程序转入步骤304。
可以认为当在步骤303判断出A＝S，微粒过滤器22不会产生热老化，如图27所示，即使程序终止对开关阀进行控制，微粒过滤器22也不会产生热老化现象。但是，在该流程图中，在步骤304后面添加了一些步骤，以有效防止微粒过滤器22产生热老化。
就是说，既使在步骤303中判断出发动机的操作状态A落入安全区域S内时，微粒过滤器22的温度TF仍然高于预定的温度TFTH。此外，既使当微粒过滤器22的温度TF低于预定的温度TFTH时，微粒过滤器22的温度TF仍然可能在局部很高。
在这些情况下，如果图28中的程序已经结束，而且开关阀80a的转动位置可在第一和第二转动位置之间变换，尾气的流入方向将会通过改变开关阀80a的转动位置而反复倒转，因此，热量就会集中在微粒过滤器22的中央部分上，这样，沉积下来的全部微粒就可能立刻燃烧。
在该实施例中，为避免沉积下来的全部微粒立刻燃烧，应根据尾气的温度和数量及流入微粒过滤器22中的氧气量和HC量，估算能够表明微粒过滤器22不会产生热老化的安全程度，仅当安全程度变大时，图28的程序才会结束，而且程序返回图27所示的程序。
为此，在步骤303，当判断出A＝S，从而微粒过滤器22不会产生热老化时，程序转入步骤304，在该步骤中，开关阀80a的转动位置被定位在第一或第二转动位置上，接下来，程序转入步骤305。
在步骤305，可判断安全计算器CS是否大于预定值CSTH(CS＞CSTH)，而安全计算器又是根据图30的流程来进行计算的。
根据图30的流程图，首先，在步骤400，判断出流入微粒过滤器22的尾气温度Tex是否低于一个预定的温度TexTH(Tex＜TexTH)。
在步骤400，当判断出Tex＜TexTH时，程序转入步骤401，在该步骤中，安全计算器CS执行计算操作，接着转入步骤402。另外，在步骤400，当判断出Tex≥TexTH时，程序直接转入步骤402。
在步骤402，判断出流入微粒过滤器22的尾气量Gex是否大于一个预定量Gex(Gex＞GexTH)。
在步骤402，当判断出Gex＞GexTH时，程序转入步骤403，在该步骤中，安全计算器CS执行计算操作，接着转入步骤404。另外，当判断出Gex≤GexTH时，程序直接转入步骤404。
在步骤404，判断出流入微粒过滤器22的尾气中的氧量Co是否小于一个预定的量CoTH(Co＜CoTH)。
在步骤404，当判断出Co＜CoTH时，程序转入步骤405，在该步骤中，安全计算器CS执行累加操作，接着转入步骤406。此外，在步骤404，当判断出Co≥CoTH，程序直接转入步骤406。
在步骤406，判断出流入微粒过滤器22的尾气中HC的浓度Chc是否小于一个预定的浓度ChcTH(Chc＜ChcTH)。在步骤406，当判断出Chc＜ChcTH时，程序转入步骤407，在该步骤中，安全计算器CS执行累加操作，接着程序终止。此外，在步骤406中，当判断出Chc≥ChcTH时，程序终止。
在图28的步骤305，根据安全计算器CS如上所述的计算，当判断出CS＜CSTH时，就可以认为沉积下来的全部微粒立刻燃烧的可能性几乎为零，而程序转入步骤306，在该步骤中，安全计算器CS复位，接着程序终止。
此外，在步骤305，当判断出CS≤CSTH时，可以认为沉积下来的全部微粒将会立刻燃烧，而程序返回步骤301。即，在沉积下来的全部微粒能够立刻燃烧的情况下，发动机的操作状态A可能进入危险区域D，因此程序返回步骤301，这样，即使当发动机的操作状态A进入危险区域D时，也可有效防止微粒过滤器22的热老化。
在上述用于防止产生热老化的方法中，在步骤304，当开关阀80a的转动位置定位在第一或第二转动位置上后，开关阀80a的转动位置就被固定，直到在发动机现在的操作状态下安全程度大于一定的限度。
但是，设置于排气管内的喷射器可能会向微粒过滤器22喷水或喷射氮气，以迫使微粒过滤器22的温度降低，从而使安全程度大于一定的限度。或者，可以仅使用微粒过滤器22的温度来替代安全程度，当微粒过滤器22的温度TF低于预定的温度TFTH时，或低于一个小于预定温度TFTH的温度时，程序可能返回图27的流程图。
下面，将对本发明的第二实施例用于防止热老化的方法加以说明。在该实施例中，恰在判断出发动机的操作状态落入危险区域内后，使尾气不能绕过微粒过滤器。
在该实施例中，判断出发动机的操作状态是否将移入安全区域的一个范围内，在该范围内，可以对下述因素作出考虑例如，当发动机的操作状态改变时，燃料的成本或所需的发动机扭矩。当其判断出发动机的操作状态将进入安装区域的允许范围内时，可以改变发动机的操作状态，以使发动机的操作状态进入安全区域。
用于确定发动机的操作状态是否落入安全区域或危险区域的参数是微粒过滤器22的温度、尾气中氧的浓度、吸入的空气量和尾气中HC的浓度。
因此，为将发动机的操作状态移到安全区域内，当发动机在空气-燃料比较大的情况下工作时，降低微粒过滤器22的温度，或者降低尾气中氧的浓度，或者增加吸入的空气量，或者降低尾气中HC的浓度。此外，当发动机在空气-燃料比较低的情况下工作时，可提高尾气中HC的浓度。
为降低微粒过滤器22的温度，例如可提高燃料喷射器的燃料喷射压力并延长喷射时间。
为增加吸入的空气量，例如可降低EGR率，或者如果需要，可将EGR率降低到零，或者如果发动机包括一个自动齿轮比的传动机构，那么可相对于EGR率来说通过提高传动齿轮比来提高发动机的转速。
当EGR率被降低到零时，燃烧室5内的燃料燃烧速度就会变得非常快，而且由燃料的燃烧而产生的噪音水平也高于允许值，因此，可在将燃料喷射到燃烧室5内之前，最好进行导向喷射，以预先喷射少量的燃料；或者降低燃料喷射的压力，以抑制由燃料的燃烧而产生的噪音水平的提高。
为降低尾气中氧的浓度，可降低空气-燃料比，或提高EGR率。
当发动机在空气-燃料比较小的情况下工作时，例如在低温燃烧时，或者除了在燃料喷射过程中喷射用于使发动机工作的燃料外，还要在燃烧冲程喷射燃料时，最好降低空气-燃料比。
这样，当发动机的操作条件改变时，就可以避免包含有微粒的尾气不经过微粒过滤器22而直接排放到外部空气中。即使发动机的操作条件发生改变，但当发动机的操作状态没有进入安全区域时，可以执行一种与第一实施例类似的方法来防止热老化，从而使尾气绕过微粒过滤器22。
图31示出了第二实施例中用于防止产生热老化的方法的流程图。在图31所示的流程图中，除步骤501a和501b外，其它步骤500-506与图28中的步骤300-306相同。
在图31所示的流程图中，在步骤501，当判断出发动机的操作状态A落入危险区域D内(A＝D)时，程序转入步骤501a，在该步骤，判断出发动机的操作状态A是否将通过改变发动机的操作条件而移入安全区域S内。
在步骤501a，当判断出发动机的操作状态A将移入安全区域S内时，程序转入步骤501b，在该步骤中，发动机的操作条件被改变，以使发动机的操作状态A进入安全区域S。
另外，在步骤501a，当判断出发动机的操作状态A不能移到安全区域S内时，程序转入步骤502。其余的步骤与图31所示的那些步骤相同，因此省去了对这些步骤的说明。
当流入微粒过滤器22的尾气量减少时，为使沉积在微粒过滤器22上的微粒逐渐燃烧，而不是全部立刻燃烧，可采用图22至25所示的旁通机构使少量的尾气进入微粒过滤器22。
在这种情况下，开关阀80的转动位置被定位在一个相对中间位置朝向第一或第二转动位置略有偏移的位置上。这样，就在微粒过滤器22的第一和第二端之间产生了压力差，从而使少量的尾气能够流入微粒过滤器22。
下面，将参照图32，对用于通过第三实施例的氧化反应除去沉积微粒的方法，包括防止微粒过滤器产生热老化的方法加以说明。在该实施例中，用于防止微粒过滤器产生热老化现象的方法采用了第一和第二实施例中的一些内容，而且还包括用于从微粒过滤器中除去SOX的方法。
在图32所示的流程图中，首先，在步骤600，判断出沉积下来的微粒量Apm是否大于一个预定的量ApmTH(Apm＞ApmTH)。沉积下来的微粒量Apm可通过对每单位时间内沉积下来的微粒量进行累加的方法来计算，而单位时间内沉积下来的微粒量又是通过实验在先得出的，它是发动机转速N和所需发动机载荷L的函数。
在步骤600，当判断出Apm＞ApmTH时，即判断出沉积下来的微粒应该通过氧化反应除掉时，程序转入步骤601，在该步骤中执行温度升高程序，以将微粒过滤器22的温度升高到可使微粒氧化的温度，接着程序转入步骤602。
例如，为升高微粒过滤器的温度，可进行低温燃烧。或者，为升高微粒过滤器的温度，可关闭设置在排气通道内的尾气节流阀提高发动机所需的负荷，从而提高燃料的喷射量。
此外，为提高微粒过滤器的温度，除了用于使发动机工作的燃料外，可在燃烧冲程中喷射少量的燃料并使其燃烧，从而提高尾气的温度。
此外，在步骤600，判断出Apm≤ApmTH，程序直接转入步骤602。
在步骤602，根据图33所示的流程图执行防止热老化的程序。在图33所示的流程图中，首先在步骤605，判断出是否满足执行防止热老化程序的条件(防止热老化的条件)。此外，还可根据图34的流程图，判断是否满足条件。
在图34所示的流程图中，首先在步骤700，判断出微粒过滤器22的温度TF是否高于预定的温度TFTH(TF＞TFTH)。预定的温度可被设定为微粒的燃点。
在步骤700，当判断出TF＞TFTH时，程序转入步骤701，在该步骤中，判断出防止热老化的条件已经得到满足。
此外，在步骤700，当判断出TF≤TFTH时，其将判断出防止热老化的条件没有得到满足，接着程序结束。
在图33的步骤605，当防止热老化的条件得到满足时，程序转入步骤606，在该步骤中执行用于防止热老化的程序。
在用于防止热老化的程序中，尾气被迫绕过微粒过滤器22，以使流入微粒过滤器22的尾气量低于第一限值，最好基本为零，或者减少空气的吸入量，以使流入微粒过滤器22的尾气量低于第一限值，或者提高发动机的转速，以使流入微粒过滤器22的尾气量大于第二限值。
第一限值就是足够小以抑制沉积微粒燃烧的尾气量。第二限值就是足够大使沉积微粒燃烧产生的热量辐射出去，以防止微粒过滤器22热老化的尾气量。
在经过预定的时间段后，用于防止热老化的程序停止运行，接着开始执行正常程序。预定的时间段可以是足以将微粒过滤器22的温度降低到接近微粒的氧化温度所需的时间。
在图32的步骤603，判断附着在微粒过滤器22上的硫S的量As是否大于一个预定的量AsTH(As＞AsTH)。
尾气中的硫S附着在微粒过滤器22的表面上。当微粒过滤器22包括具有吸收和释放NOX的能力的NOX吸收剂，当周围环境中存在有过量的氧时，其能够吸收并保持NOX，当周围环境中的氧浓度下降时，其能够释放出被保存的NOX，附着的硫降低了NOX吸收和释放能力。
因此，在该流程图中，在步骤603，当判断出附着的硫S的量较大时，执行用于将附着的硫S从微粒过滤器22上除去的程序。
应该知道，可将铂Pt这样的贵金属用作活性氧释放剂。此外，活性氧释放剂可由下述成分中的至少一种构成碱金属，例如钾K、钠Na、锂Li、铯Cs和铷Rb；碱土金属，例如钡Ba、钙Ca和锶Sr；稀土金属，例如镧La、钇Y和铈Ce；过渡金属，例如铁Fe；碳族元素，例如锡Sn。
具体而言，在步骤603，当判断出As＞AsTH时，程序转入步骤604，在该步骤中，发动机在空气-燃料比较高的情况下工作，从而使尾气的空气-燃料比高于经化学计算得出的空气-燃料比。因此，当尾气中的碳氢化合物与氧气反应时，微粒过滤器22中的氧浓度就会降低，从而升高微粒过滤器22的温度。因此，就可将附着在微粒过滤器22上的硫S从微粒过滤器22上分解。
从微粒过滤器22上分解硫的温度高于微粒的氧化温度，因此出于能量效率角度的考虑，当在步骤601将微粒过滤器22的温度升高到微粒的氧化温度后，微粒过滤器22的温度最好被升高到硫的分离温度。
如上所述，在该实施例中，当沉积下来的微粒量大于预定量时，执行提高温度的程序。或者，可在微粒过滤器22的上游和下游的尾气压力差大于一个预定的水平时(如果存在压力损失的话)，执行提高温度的程序。
此外，如上所述，在该实施例中，其判断出根据微粒过滤器22的温度是否应该执行防止热老化的程序。或者，除了微粒过滤器22的温度外，还可使用流入燃烧室内的吸入空气量，或流入微粒过滤器22的尾气量(流入的尾气量)来判断是否应该执行防止热老化的程序。
图35示出了用于根据微粒过滤器22的温度和流入的尾气量Gex来判断防止热老化的条件是否得到满足的另一实施例的流程图。
在图35所示的流程图中，首先在步骤800，其判断出微粒过滤器22的温度是否高于预定的温度TFTH(TF＞TFTH)。
在步骤800，当判断出TF＞TFTH时，程序转入步骤801，在该步骤中，判断流入的尾气量Gex是否大于最小量GexMin并小于最大量GexMax(GexMin＜Gex＜GexMax)。
在步骤801，当判断出GexMin＜Gex＜GexMa时，即当判断出微粒过滤器22的温度高于微粒的燃点，而且流入的尾气量不足以使沉积微粒燃烧所产生的热量迅速辐射出来，而且流入的氧气量足以促进沉积微粒的燃烧时，可以认为微粒过滤器22的热老化情况可以被防止，这样，程序转入步骤802，在该步骤中，其判断出防止热老化的条件已经满足。
应该知道，本发明还可应用到尾气净化装置上，在该尾气净化装置中，将氧化催化剂放置在位于微粒过滤器上游的尾气通道内，通过该氧化催化剂可将尾气中的NO转化成NO2，并使NO2与沉积在微粒过滤器上的微粒反应，利用NO2来氧化微粒。
根据本发明，如上所述，可在微粒过滤器上连续氧化并除去尾气中的微粒，同时还可很好地净化尾气中的NOX。
尽管已参照说明性的特定实施例对本发明作出了说明，但应该清楚在本发明的基本构思和保护范围内，本领域的技术人员可作出多种不同的变形和修改。
权利要求
1.一种尾气净化装置，用于设置有燃烧室的发动机上，其包括一个尾气通道；一个微粒过滤器，其设置于尾气通道内并用于通过氧化反应除掉从燃烧室排出的尾气中的微粒；一个用于控制流入微粒过滤器内的尾气特性的装置，和用于判断微粒过滤器是否会被微粒氧化反应产生的热量而热老化的装置，其中当判断装置判断出微粒过滤器将被热老化时，控制装置就会改变流入微粒过滤器的尾气特性，从而防止微粒过滤器产生热老化现象。
2.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于所述控制装置能够控制流入微粒过滤器中的尾气量；而且当判断装置判断出微粒过滤器将被热损坏时，该控制装置能够执行使流入微粒过滤器的尾气量小于第一限值的第一控制操作和能够使流入微粒过滤器的尾气量大于一个第二限值的第二控制操作，其中第二限值大于第一限值。
3.根据权利要求2所述的尾气净化装置，其特征在于所述装置还包括一个旁通机构，用于使至少部分尾气绕过微粒过滤器；而且所述控制装置能够通过旁通机构使至少部分尾气绕过微粒过滤器的方式使流入微粒过滤器的尾气量小于第一限值。
4.根据权利要求2所述的尾气净化装置，其特征在于所述控制装置能够通过减少吸入燃烧室内的空气量而使流入微粒过滤器的尾气量小于第一限值，并能够通过增加吸入燃烧室内的空气量而使流入微粒过滤器的尾气量大于第二限值。
5.根据权利要求4所述的尾气净化装置，其特征在于所述控制装置可通过降低发动机转速而减少吸入燃烧室内的空气量，并可通过增加发动机的转速来增加吸入燃烧室内的空气量。
6.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于所述判断装置能够在微粒过滤器的温度高于一个预定温度时，判断出微粒过滤器将会被热损坏。
7.根据权利要求6所述的尾气净化装置，其特征在于所述预定的温度是微粒的燃点。
8.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于所述判断装置能够在微粒过滤器的温度高于一个预定温度，而且尾气中的氧浓度高于一个预定浓度时，判断出微粒过滤器将被热损坏。
9.根据权利要求8所述的尾气净化装置，其特征在于所述预定温度为微粒的燃点。
10.根据权利要求8所述的尾气净化装置，其特征在于所述预定浓度以下述方式设定当尾气的空气-燃料比较低时，能够随着尾气中碳氢化合物浓度的变大而变小，而且当尾气的空气-燃料比等于经化学方法计算出来的结果或较高时，能够随着尾气中碳氢化合物浓度的变大而变大。
11.根据权利要求8所述的尾气净化装置，其特征在于所述预定的浓度被设定为随着吸入燃烧室内的空气量变大而变大。
12.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于当判断装置判断出微粒过滤器将被热所损坏时，在通过控制装置改变尾气的特性之前，判断装置判断出通过改变尾气的特性是否能够使微粒过滤器的温度低于预定温度，而且判断出通过改变尾气的特性是否能够使尾气中的氧气浓度小于预定的浓度；当判断装置判断出通过改变尾气的特性将使微粒过滤器的温度低于预定的温度时，所述控制装置就会改变尾气的特性，以使微粒过滤器的温度低于预定的温度；当判断装置判断出尾气中的氧气浓度将小于预定浓度时，所述控制装置能够改变尾气的特性，以使尾气中氧气的浓度低于预定的浓度。
13.根据权利要求12所述的尾气净化装置，其特征在于所述控制装置通过控制发动机的操作条件来控制尾气的特性。
14.根据权利要求12所述的尾气净化装置，其特征在于所述装置还包括一个用于使至少部分尾气绕过微粒过滤器的旁通机构，而且当判断装置判断出通过改变尾气的特性将使微粒过滤器的温度不低于预定的温度，而且尾气中的氧气浓度不小于预定的浓度时，所述控制装置能够通过该旁通机构使至少部分尾气绕过微粒过滤器。
15.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于所述装置还包括一个用于使流入微粒过滤器的尾气的流入方向换向的倒转机构。
16.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于一种贵金属催化剂被装在微粒过滤器上。
17.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于一种活性氧释放剂装在微粒过滤器上，当周围的环境中存在有过量的氧时，所述活性氧释放剂能够吸收氧并保存氧，当周围环境中的氧气浓度下降时，所述活性氧释放剂能够以活性氧的形式释放出先前保存的氧；当微粒附着在微粒过滤器上时，活性氧能够从活性氧释放剂中释放出来，而且附着在微粒过滤器上的微粒可被这些活性氧所氧化。
18.根据权利要求17所述的尾气净化装置，其特征在于所述活性氧释放剂由下述金属中的至少一种构成碱金属、碱土金属、稀土金属、过渡金属和碳族元素。
19.根据权利要求18所述的尾气净化装置，其特征在于所述碱金属和碱土金属由比钙更易于电离的金属构成。
20.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于附着在微粒过滤器上的微粒可通过临时使部分或全部尾气的空气-燃料比较高而被氧化掉。
21.根据权利要求1所述的尾气净化装置，其特征在于一种NOX吸收剂被装在微粒过滤器上，当周围环境存在过量的氧时，该NOX吸收剂能够吸收尾气中的NOX，当周围环境中的氧浓度下降时，该NOX吸收剂能够释放出已经吸收的NOX；当从控制装置改变尾气特性的时刻开始经历一个预定的时间段后，流入微粒过滤器中的尾气特性将恢复到最初的特性，而且附着在微粒过滤器上的硫通过使部分或全部尾气的空气-燃料比很高而从微粒过滤器上分离出来。
全文摘要
一种尾气净化装置,用于设置有燃烧室的发动机上,其包括:一个尾气通道;一个微粒过滤器,其设置于尾气通道内并用于通过氧化反应除掉从燃烧室排出的尾气中的微粒;一个用于控制流入微粒过滤器内的尾气特性的装置,其中:当判断装置判断出微粒过滤器将产生热老化现象时,控制装置就会改变流入微粒过滤器的尾气特性,从而防止微粒过滤器产生热损坏。
文档编号B01D53/94GK1386161SQ01802142
公开日2002年12月18日 申请日期2001年7月23日 优先权日2000年7月24日
发明者广田信也, 田中俊明, 伊藤和浩, 浅沼孝充, 中谷好一郎, 木村光壱 申请人:丰田自动车株式会社