专利名称：排气净化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机的排气净化器。
在相关技术中，柴油发动机是通过在发动机排气通道中布置颗粒过滤器来除去排气中所含颗粒的，用颗粒过滤器捕获排气中的颗粒，点燃并燃烧在颗粒过滤器中捕获的颗粒以循环颗粒过滤器。但是，在颗粒过滤器上捕获的颗粒如果温度不变得高于至少大约600℃就不会点燃。与此相反，柴油发动机的排气温度通常显著低于600℃。因此，难于利用排气的热量来使颗粒过滤器上捕获的颗粒点燃。为了利用排气的热量使颗粒过滤器上捕获的颗粒点燃，必须降低颗粒的点燃温度。
但是，在相关技术中大家知道如果在颗粒过滤器上载有催化剂就可以降低点燃温度。因此，在本技术领域中公知的是，各种颗粒过滤器载有催化剂以降低颗粒的点燃温度。
例如，日本审定的专利文本第7-106290号公开了一种颗粒过滤器，它包括颗粒过滤器上载有的铂族金属和碱土金属的混合物。在这种颗粒过滤器中，大约350℃至400℃的相对较低的温度点燃颗粒，然后继续燃烧。
现在概括本发明要解决的问题，在柴油发动机中，在负载变高时，排气的温度达到350℃至400℃，因而在设有上述颗粒过滤器时，初看起来似乎当发动机负载升高时颗粒会被排气的热量点燃并燃烧。但实际上，即使排气的温度达到350℃至400℃，颗粒有时也不会点燃。而且即使颗粒点燃，只有一些颗粒会燃烧，而大量颗粒仍不燃烧。
也就是说，当排气中所含的颗粒量不大时，沉积在颗粒过滤器上的颗粒量也不大。此时，如果排气温度达到350℃至400℃，在颗粒过滤器上的颗粒点燃，然后连续燃烧。
但是，如果排气中所含的颗粒量变得较大时，在颗粒过滤器上沉积的颗粒完全燃烧之前，其它颗粒将沉积在那些颗粒上。因此，颗粒在颗粒过滤器上会分层沉积。如果颗粒在颗粒过滤器上以这种方式分层沉积，那么，容易与氧气接触的那部分颗粒就会燃烧，但是，其它难与氧气接触的颗粒不会燃烧，因而大量颗粒仍不燃烧。因此，如果排气中所含的颗粒量变得较大，那么，大量的颗粒会继续沉积在颗粒过滤器上。
另一方面，如果大量颗粒沉积在颗粒过滤器上，那么，沉积的颗粒逐渐变得更难点燃和燃烧。这样变得更难燃烧也许是由于颗粒中的碳在沉积时变成难于燃烧的石墨等缘故。事实上，如果大量颗粒继续沉积在颗粒过滤器上，那么，沉积的颗粒将不会在350℃至400℃的低温点燃。为使沉积的颗粒点燃需要600℃以上的高温。但是，在柴油发动机中，排气的温度通常决不会变成600℃以上的高温。因此，如果大量颗粒继续沉积在颗粒过滤器上，那么就难于借助排气的热量点燃沉积的颗粒。
另一方面，此时如果可能使排气的温度为600℃以上的高温，则沉积的颗粒会被点燃，但是，在这种情形中会产生另一个问题，即，在这种情形中，它会燃烧，同时产生黄焰。此时，颗粒过滤器的温度将保持在800℃以上很长时间直至沉积的颗粒完全被烧掉。如果颗粒过滤器这样长时间暴露于800℃以上的高温，颗粒过滤器则会迅速变劣，因而引起必须过早用新过滤器更换颗粒过滤器的问题。
另外，如果沉积的颗粒燃烧，灰分将缩合并形成大团块。这些灰块会堵住颗粒过滤器的小孔。被堵住的小孔的数目随时间增加，因而颗粒过滤器中排气流的压力损失逐渐变大。如果排气流的压力损失变大，发动机的输出下降，因此而引起必须很快用新过滤器更换颗粒过滤器的问题。
如果一旦大量颗粒以这种方式分层沉积，那么，就会引起上述各种问题。因此，必须防止大量颗粒分层沉积，同时要考虑到排气中所含颗粒量和能够在颗粒过滤器上燃烧的颗粒量之间的平衡。但是，采用在上述专利文本中所公开的颗粒过滤器，根本不考虑排气中所含颗粒量和能够在颗粒过滤器上燃烧的颗粒量之间的平衡，因而如上所述会引起各种问题。
另外，采用上述专利文本中所公开的颗粒过滤器时，如果排气的温度降得低于350℃，那么，颗粒不会点燃，因而颗粒将沉积在颗粒过滤器上。在这种情形中，如果沉积量不大，那么，当排气的温度达到350℃至400℃时，沉积的颗粒将被燃烧，但是，如果大量颗粒分层沉积，那么，当排气的温度达到350℃至400℃时，沉积的颗粒不会点燃。即使它确实被点燃了，部分颗粒也不燃烧，因而保持不被燃烧的状态。
在这种情形中，如果在大量颗粒分层沉积前提高排气的温度，则可能使沉积的颗粒毫无剩余地烧掉，但是，采用上述专利文本中公开的颗粒过滤器时，根本没有考虑到这一点。因此，排气的温度未升至600℃以上，大量的颗粒分层沉积，所有沉积的颗粒不能被燃烧。
另外，大家知道一种NOx吸收剂，它在流入的排气的空燃比稀薄时吸收NOx，并且在流入的排气的空燃比变成理论空燃比或变浓时释放并减少吸收的NOx。如果这种NOx吸收剂布置在发动机排气通道内，那么，在稀空燃比下燃烧过程中产生的NOx可以被吸收在NOx吸收剂中。
但是，这种NOx吸收剂对NOx的吸收作用只在由NOx吸收剂确定的一定温度范围内出现。甚至当将NOx吸收功能赋予颗粒过滤器时，这同样适用。因此，当将NOx吸收功能赋予颗粒过滤器时，必须防止大量颗粒沉积在颗粒过滤器上，同时将颗粒过滤器的温度保持在出现NOx吸收作用的温度范围内。
本发明的目的是提供一种排气净化设备，它用于借助一种新方法同时除去排气中的颗粒和NOx。
按照本发明，提供一种具有燃烧室的发动机排气净化器，包括一条排气通道和设置在所述排气通道中用于除去从所述燃烧室排出的排气中的颗粒的颗粒过滤器；所述颗粒过滤器是具有下述功能的颗粒过滤器当从燃烧室单位时间排出的排放颗粒量小于单位时间可通过氧化除去而不在颗粒过滤器上发出黄焰的颗粒量时通过氧化除去排气中的颗粒而不发出黄焰，以及在流入颗粒过滤器的排气的空燃比稀薄时吸收排气中的NOx，且在流入颗粒过滤器的排气的空燃比变成理论空燃比或浓稠时释放可吸收的NOx；在一个温度区域中所述排放颗粒量和所述颗粒过滤器的温度通常保持在颗粒和NOx同时处理区域中，其中总是使排放颗粒量变得小于可被氧化除去的颗粒量，且NOx吸收率变得大于一定值。
现在对照以下附图进一步阐述本发明的上述的和其它的目的和特征。
图1是内燃机的总体视图；图2A和2B是发动机的需要转矩图；图3A和3B是颗粒过滤器的视图；图4A和4B是用于说明颗粒氧化作用的视图；图5A至5C是用于说明颗粒沉积作用的视图；图6是可通过氧化除去的颗粒量和颗粒过滤器的温度之间的关系图；图7A和7B是可通过氧化除去的颗粒量图；图8A至8F是可通过氧化除去的颗粒量G图；图9A和9B是氧气浓度和排气中NOx浓度图；图10A和10B是排放的颗粒量图；图11是同时的颗粒和NOx处理区域图；图12是用于说明颗粒氧化除去法的图；图13是用于说明注入控制的图；图14是烟产生量图；图15A和15B是燃烧室中气体温度图；图16是工作区域Ⅰ和Ⅱ的图；图17是空燃比A/F图；图18是节气门等的开度变化图；图19是发动机另一实施例的总体图；图20是发动机另一实施例的总体图21是发动机另一实施例的总体图；图22是发动机另一实施例的总体图；图23是发动机另一实施例的总体图；图24是NOx吸收量图；图25A和25B是当释放SOx时空燃比控制图；图26是用于处理NOx释放标志和SOx释放标志的流程图；图27和28用于控制发动机操作的流程图；图29是发动机另一实施例的总体图；图30是图3B所示颗粒过滤器的隔板的放大剖视图；图31A和31B是图29所示颗粒过滤器的放大图；图32A至32C是排气变换阀的开关位置和排气流量之间的关系图；图33A和33B是颗粒过滤器的隔板内的颗粒运动状态图；图34是发动机另一实施例的总体图；图35是发动机另一实施例的总体图；图36是发动机另一实施例的总体图；图37是发动机另一实施例的总体图；图38是发动机另一实施例的总体图；图39是发动机另一实施例的总体图。
图1表示本发明应用于压燃式内燃机的情形。应注意的是，本发明也可应用于火花点火式内燃机。
现在参阅图1，标号1表示发动机本体，标号2表示气缸体，标号3表示气缸盖，标号4表示活塞，标号5表示燃烧室，标号6表示电控燃油喷嘴，标号7表示进气门，标号8表示进气道，标号9表示排气门，标号10表示排气道。进气道8通过相应的进气管11连接于一个平衡箱12，而平衡箱12则通过相应的进气管道13连接于排气透平增压器14的一个压缩机15。进气管道13内设有一个由步进马达16驱动的节气门。另外，一个冷却器18围绕进气管道13设置，以便冷却流过进气管道13的进气。在图1所示的实施例中，发动机冷却水通入冷却器18内部，进气被发动机冷却水冷却。另一方面，排气道10通过排气歧管19和排气管20连接于排气增压器14的排气透平21。排气透平的出口连接于容纳颗粒过滤器22的壳体23。
排气歧管19和平衡箱12通过一条排气循环(EGR)通道24彼此相连。在ERG通道内设有一个电控EGR控制阀25。一个冷却器26围绕EGR通道24设置以冷却EGR通道内循环的EGR气体。在图1所示的实施例中，发动机冷却水引入冷却器26,EGR气体被发动机冷却水冷却。另一方面，燃油喷嘴6通过燃油输送管6a连接于燃油储存器，所谓的共用横栏(common rail)27。燃油从一个电控的可变排放燃油泵28送入共用横栏27。送入共用横栏27的燃油通过燃油输送管6a送入燃油喷嘴6。共用横栏27装有一个燃油压力传感器29以检测共用横栏27内的燃油压力。燃油泵28的排放是在燃油传感器29的输出信号的基础上被控制的，因而共用横栏27内的燃油压力变成目标燃油压力。
电子控制装置30包括一个数字计算机，该计算机设有只读存储器(ROM)32。随机存取存储器(RAM)33、微处理机(CPU)34、输入通道35和通过双向总线彼此相连的输出通道36。燃油压力传感器29的输出信号通过相应的AD变换器37输入至输入通道35。另外，颗粒过滤器22上装有一个用于检测颗粒过滤器22的温度传感器39。温度传感器39的输出信号通过相应的AD变换器37输入至输入通道35。一个加速踏板40连接有一个负载传感器41，该负载传感器产生一个与加速踏板40的压下量L成正比的输出电压。负载传感器41的输出电压通过相应的AD变换器37输入至输入通道35。另外，输入通道35连接有一个曲轴转角传感器42，该曲轴转角传感器在曲轴每次转动例如30°时产生一个输出脉冲。另一方面，输出通道36通过相应驱动回路38连接于燃油喷嘴6、用于驱动节气门的步进马达16、EGR控制阀和燃油泵28。
图2A表示需要转矩TQ、加速踏板40的压下量L和发动机转速N之间的关系。应注意的是，这些曲线表示等效转矩曲线。由TQ=0所示的曲线表示转矩为零，而其余曲线按照TQ=a,TQ=b,TQ=c和TQ=d的顺序表示逐渐增加的需要转矩。如图2B所示，图2A中所示的需要转矩TQ作为加速踏板40的压下量和发动机转速N的函数事先储存在ROM32中。在本发明的该实施例中，按照加速踏板40的压下量L和发动机转速N的需要转矩TQ首先根据图2B所示的图计算，然后根据需要转矩TQ计算燃油喷射量等。
图3A和3B表示颗粒过滤器22的结构。应注意的是，图3A是颗粒过滤器22的前视图，而图3B是颗粒过滤器22的侧视图。如图3A和3B所示，颗粒过滤器22构成一个蜂窝结构，设有多个彼此平行延伸的排气循环通道50,51这些排气循环通道是由下游端被塞52密封的排气流入通道50和上游端被塞52密封的排气流出通道51构成的。应注意的是，图3A中的阴影线部分表示塞53。因此，排气流入通道50和排气流出通道51通过薄壁隔板54交错布置。换言之，排气流入通道50和排气流出通道51布置得使每条排气流入通道50被四条排气流出通道51包围，且每条排气流出通道51被四条排气流入通道50包围。
颗粒过滤器22是用多孔材料如堇青石制成的。因此，流入排气流入通道50的排气通过包围的隔板54流出，进入相邻的排气流出通道51，如图3B所示。
在本发明的这个实施例中，例如由铝构成的一个载体层在排气流入通道50和排气流出通道的周面上形成，即，在隔板54的两个侧面和隔板54的细孔的内壁上形成。在载体上载有贵金属催化剂和活性氧释放剂，活性氧释放剂如果在周围存在过多氧气则吸收并容纳氧气，而如果周围的氧气浓度下降则释放容纳的氧气。
在按照本发明的这个实施例中，在这种情形中，铂Pt用作贵金属催化剂。活性氧释放剂使用碱金属如钾K、钠Na、锂Li、铯Cs、铷Rb，碱土金属如钡Ba、钙Ca、锶Sr，稀土金属如镧La、钇Y、铈Ce和过渡金属中的至少一种。在如图1所示的那种压燃式内燃机中，燃烧甚至在空气过剩下出现。因此，排气含有大量的过量空气。也就是说，如果送入进气通道、燃烧室5和排气通道中的空气和燃油的比称为排气的空燃比，那么，在如图1所示的那种压燃式内燃机中，排气的空燃比变稀。另外，在燃烧室5中产生NO，因而排气含有NO。另外，应注意的是，在这种情形中，使用碱金属或带有比钙Ca更高离子化倾向的碱土金属，即，钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba和锶Sr作为活性氧释放剂。下面以在载体上载有铂Pt和钾K的情形为例说明借助颗粒过滤器22在排气中除去颗粒的作用，但是，甚至当使用另一种贵金属、碱金属、碱土金属、稀土及过渡金属时也有相同类型的除去颗粒的作用。
在如图1所示的那种压燃式内燃机中，燃烧甚至在空气过剩下出现。因此，排气含有大量的过量空气。也就是说，如果送入进气通道、燃烧室5和排气通道中的空气和燃油的比称为排气的空燃比，那么，在如图1所示的那种压燃式内燃机中，排气的空燃比变稀。另外，在燃烧室5中产生NO，因而排气含有NO。另外，燃油含有硫S。硫S与燃烧室5中的氧气反应变成SO2。因此，燃油含有SO2。因此，含有过量氧气、NO和SO2的排气流入颗粒过滤器22的排气流入通道50。
图4A和4B是在排气流入通道50的内周面和隔板54的小孔内壁上形成的载体层表面的放大视图。应注意的是，在图4A和4B中，标号60表示铂Pt的颗粒，而标号61表示含有钾K的活性氧释放剂。
按照这种方式，由于排气中含有大量的过量氧气，如果排气流入颗粒过滤器22的排气流入通道50，如图4A所示，氧气O2以O2-或O22-的形式附着在铂Pt的表面上。另一方面，排气中的NO与铂Pt表面上的O2-或O22-反应变成。接着，产生的部分NO2被吸收在活性氧释放剂61中，在铂Pt上被氧化，并以硝酸根离子NO3-的形式扩散在活性氧释放剂61中，如图4A所示。部分硝酸根离子NO3-产生硝酸钾KNO3。
另一方面，如上所述，排气也含有SO2。SO2被吸收在活性氧释放剂61中，其机制类似于NO2被吸收的机制。也就是说，按照上述的方式，氧气O2以O2-或O22-的形式附着在铂Pt的表面上。排气中的SO2与铂Pt表面上的O2-或O22-反应变成SO3。接着，产生的部分SO3被吸收在活性氧释放剂61中，同时在铂Pt上被氧化，并以硫酸根SO42-的形式扩散在活性氧释放剂61中，同时与钾K结合生成硫酸钾K2SO4。按照这种方式，在活性氧释放剂61中产生硝酸钾KNO3和硫酸钾K2SO4。
另一方面，主要由碳构成的颗粒在燃烧室5中产生。因此，排气含有这种颗粒。当排气流过颗粒过滤器22的排气流入通道50时，或当从排气流入通道50流向排气流出通道51时，排气中含有的颗粒接触并附着在载体层的表面上，例如，活性氧释放剂61的表面上，如图4B所示。如果颗粒62以这种方式随着在活性氧释放剂61的表面上，那么，在颗粒62和活性氧释放剂61的接触表面上氧气的浓度下降。如果氧气的浓度下降，就会与高氧气浓度的活性氧释放剂61内部形成浓度差，因而活性氧释放剂61中的氧气移向颗粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面。因此，在活性氧释放剂61中形成的硝酸钾KNO3分解成钾K、氧O和NO。氧O趋向颗粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面，而NO从活性氧释放剂61释放至外界。释放出来的NO在下游侧的铂Pt上被氧化，并再次被吸收在活性氧释放剂61中。
另一方面，如果此时颗粒过滤器22的温度高，在活性氧释放剂61中形成的硫酸钾K2SO4也会分解成K、氧O和SO2。氧O趋向颗粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面，而SO2从活性氧释放剂61释放至外界。释放出来的SO2在下游侧的铂Pt上被氧化，并再次吸收在活性氧释放剂61中。
另一方面，趋向颗粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面的氧O是从化合物如硝酸钾KNO3或硫酸钾K2SO4分解的氧。从上述化合物分解的氧O具有高能量，并具有极高的活性。因此，趋向颗粒62和活性氧释放剂61之间的接触表面的氧变成活性氧O。如果该活性氧接触颗粒62，将促进颗粒62的氧化作用，并使颗粒62在几分钟至几十分钟的短时间内被氧化而不发出黄焰。当颗粒62以这种方式被氧化时，其它颗粒连续地沉积在颗粒过滤器22上。因此，实际上，一定量的颗粒总是在颗粒过滤器22上沉积。部分的这种沉积颗粒被氧化除去。这样，沉积在颗粒过滤器22上的颗粒62连续燃烧而不发出黄焰。
应注意的是，NOx被认为是以硝酸银NO3-的形式扩散在活性氧释放剂61中，同时反复地与氧原子结合及分离。在此时也产生活性氧。颗粒62也被这种活性氧氧化。另外，沉积在颗粒过滤器22上的颗粒62被活性氧O氧化，但是，颗粒62也被排气中的氧氧化。
当在颗粒过滤器22上分层沉积的颗粒燃烧时，颗粒过滤器22变得红热，并随火焰燃烧。这种随火焰的燃烧并不继续，除非温度高的话。因此，为了继续随火焰的燃烧，颗粒过滤器22的温度必须保持在高温上。
与此相反，在本发明中，如上所述，颗粒62被氧化而并不发生黄焰。此时，颗粒过滤器22的表面并不变得红热。也就是说，换言之，在本发明中，颗粒是被相当低的温度氧化而除去的。因此，按照本发明的不发生黄焰的颗粒62的氧化除去法完全不同于颗粒的伴随火焰的燃烧除去法。
铂Pt和活性氧释放剂61越变得活性化，颗粒过滤器22的温度越高，因而单位时间能够被活性氧释放剂61释放的活性氧O量增加，颗粒过滤器22的温度越高。另外，当然颗粒本身的温度越高，颗粒越容易被除去。因此，颗粒过滤器22的温度越高，单位时间能被氧化除去而不在颗粒过滤器22上发出黄焰的颗粒量增加。
在图6中的实线表示不发生黄焰地在单位时间可被氧化除去的颗粒量G。图6的横坐标表示颗粒过滤器22的温度TF。应注意的是，图6表示的是在单位时间为1秒，即，每秒可被氧化除去的颗粒量G，但是，1分钟、10分钟或任何其它时间也可以用作单位时间。例如，当使用10分钟作为单位时间时，单位时间可被氧化除去的颗粒量G表示每10分钟可被氧化除去的颗粒量G。另外，在这种情形中，颗粒过滤器22的温度越高，不在颗粒过滤器22上发生黄焰而在单位时间可被氧化除去的颗粒量G增加。
那么，如果当单位时间从燃烧室5排放的颗粒量称为排放颗粒量M，那么，当排放颗粒量M小于相同单位时间可被氧化除去的颗粒量G时，或当每10分钟的排放颗粒量M小于每10分钟可被氧化除去的颗粒量G时，也就是说，在图6的区域Ⅰ中，从燃烧室5排放的全部颗粒在短时间内连续地被氧化除去而不在颗粒过滤器22上发出黄焰。
与此相反，当排放颗粒量M大于可被氧化除去的颗粒量G时，即，在图6的区域Ⅱ中，活性氧的量不足以连续地氧化全部颗粒。图5A至5C表示在这种情形中的颗粒氧化状态。
也就是说，当活性氧的量不足以连续氧化全部颗粒时，如果如图5A所示，颗粒62附着在活性氧释放剂61上，那么，只有部分颗粒62被氧化。未充分氧化的部分颗粒留在载体层上。接着，如果活性氧不足的状态继续，未连续氧化的颗粒部分留在载体层上。因此，如图5B所示，载体层的表面被残留的颗粒部分63覆盖。
所述覆盖载体层表面的残留颗粒部分63逐渐变成难于氧化的石墨，因而残留颗粒部分63易于原样保留。另外，如果载体层表面被残留颗粒部分63覆盖，那么，NO和SO2被铂Pt的氧化作用及活性氧从活性氧释放剂61释放的作用会被抑制。因此，如图5C所示，其它颗粒连续地沉积在残留颗粒部分63上。也就是说，颗粒分层地沉积。如果颗粒这样分层沉积，那么，颗粒与铂Pt或活性氧释放剂61的距离分开，因而即使易于氧化的颗粒也不能被活性氧O氧化。因此，其它颗粒连续地沉积在颗粒64上。也就是说，如果排放颗粒量M大于可被氧化除去的颗粒量G的现象继续，那么，颗粒在颗粒过滤器22上分层沉积，因而除非使排气的温度较高，或使颗粒过滤器22的温度较高，就不再能使沉积的颗粒点燃并燃烧。
这样，在图6的区域Ⅰ中，颗粒在短时间燃烧而不在颗粒过滤器22上发生黄焰。在图6的区域Ⅱ中，颗粒在颗粒过滤器22分层沉积。因此，为了防止颗粒在颗粒过滤器22上分层沉积，必须使排放颗粒量M总是保持小于可被氧化除去的颗粒量G。
从图6可以看出，采用本发明的这个实施例中的颗粒过滤器22时，即使颗粒过滤器22的温度TF相当低，颗粒也可被氧化。因此，在图1所示的压燃式内燃机中，可以保持排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF，使排放颗粒量M通常变得小于可被氧化除去的颗粒量G。因此，在本发明的这个实施例中，排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF被保持，使排放颗粒量M通常变得小于可被氧化除去的颗粒量G。
如果以这种方式使排放颗粒量M保持得通常小于可被氧化除去的颗粒量G，颗粒就不会再分层沉积在颗粒过滤器22上。因此，在颗粒过滤器22中排气流的压力损失被保持在基本不变的最小压力损失上，可以说根本不会发生大的变化。因此，可以将发动机输出的下降保持得最小。
另外，即使在相当低的温度下也可以发生通过颗粒氧化而除去颗粒的作用。因此，颗粒过滤器22的温度根本不会上升得那么高，几乎不会存在颗粒过滤器22变劣的危险。另外，由于颗粒不会在颗粒过滤器22上分层沉积，因而没有灰分凝结的危险，因此减小了颗粒过滤器22堵住的危险。
但是，上述堵住的现象主要是由于硫酸钙CaSO4出现的。也就是说，燃油或润滑油含有钙Ca。因此，排气含有钙Ca。这种钙Ca在存在SO3时会产生硫酸钙CaSO4。硫酸钙CaSO4是固体，即使在高温下也不分解。因此，如果产生硫酸钙CaSO4，而且颗粒过滤器22的小孔被硫酸钙CaSO4堵住，那么就会发生堵塞。
但是，在这种情形中，如果使用具有比钙Ca具有更高离子化趋势的碱金属或碱土金属如钾K作用活性氧释放剂61，那么，在活性氧释放剂61中扩散的SO3与钾K结合而形成硫酸钾K2SO4。钙Ca穿过颗粒过滤器22的隔板54流出，进入排气流出通道51而不与SO3结合。因此，颗粒过滤器22的小孔不再发生任何堵塞。因此，如上所述，最好使用比钙Ca具有更高离子化趋势的碱金属或碱土金属，即，钾K、锂Li、铯Cs、铷Rb、钡Ba和锶Sr作为活性氧释放剂61。
在本发明的这个实施例中，意图基本上是在所有操作状态中将排放颗粒量M保持得小于可被氧化除去的颗粒量G。但是，实际上几乎不可能在所有操作状态中将排放颗粒量M保持得低于可被氧化除去的颗粒量G。例如，在发动机起动时，颗粒过滤器22的温度通常不高。因此，此时排放颗粒量M变得低于可被氧化除去的颗粒量G。因此，在本发明的这个实施例中，除了特殊情形如刚刚在发动机起动之后以外，通常连续地使排放颗粒量M变成小于可被氧化除去的颗粒量G。
应注意的是，如果排放颗粒量M变得大于可被氧化除去的颗粒量G，例如刚好在发动机起动之后，那么，在颗粒过滤器22上不能被氧化的颗粒部分就开始留下来。如果在不能以这种方式被氧化的颗粒部分开始留下来时，即，在颗粒只沉积得小于一定极限时，排放颗粒量M变得小于可被氧化除去的颗粒量G，那么，残留颗粒部分被活性氧O氧化而除去，不发生黄焰。因此，在本发明的这个实施例中，在特殊的操作状态时如刚好在发动机起动之后，排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF被保持得在颗粒过滤器22上只沉积一个小于一定极限的颗粒量，它在排放颗粒量M变得小于可被氧化除去的颗粒量G时可通过氧化被除去。
另外，即使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF被这样保持，有时还会存在颗粒在颗粒过滤器22上由于某种原因而分层沉积的情形。甚至在这种情形中，如果使部分或全部排气的空燃比暂时变浓，那么，在颗粒过滤器22上沉积的颗粒就被氧化而不发生黄焰。也就是说，如果使排气的空燃比变浓，即，如果在排气中的氧浓度降低，那么，活性氧O从活性氧释放剂61一下释放出来。短时内沉积的颗粒被一下出来的活性氧O通过氧化除去而不发生黄焰。
另一方面，如果将空燃比保持得稀薄，那么，铂Pt的表面被氧覆盖，就会出现所谓的铂Pt的氧中毒。如果出现这种铂Pt的氧中毒，NOx的氧化作用就会下降，使NOx的吸收效率下降，因而从活性氧释放剂61释放的活性氧量下降。但是，如果使空燃比浓稠，铂Pt表面上的氧被消耗，从而消除氧中毒。因此，如果空燃比的浓度薄，则NOx的氧化作用变强，从而NOx的吸收效率变高，因而从活性氧释放剂61释放的活性氧量增加。
因此，如果当空燃比被保持稀薄时，空燃比有时从稀变浓，那么，铂Pt的氧中毒每次被消除。因此，当空燃比稀薄时，活性氧释放量增加，从而可以促进在颗粒过滤器22上的颗粒氧化作用。
现在参阅图6，可被氧化除去的颗粒量G被表示为只是颗粒过滤器22的温度TF的函数，但是，可被氧化除去的颗粒量G实际上是排气中氧浓度、排气中NOx的浓度、排气中未燃烃浓度、颗粒氧化容易程度、颗粒过滤器22中排气流的空间速度、排气的压力等的函数。因此，可被氧化除去的颗粒量G在计算时最好考虑到全部上述因素，包括颗粒过滤器22的温度TF的作用。
但是，在上述因素中对可被氧化除去的颗粒量G具有最大作用的因素是颗粒过滤器22的温度TF。具有相对较大作用的因素为排气中的氧浓度和NOx的浓度。图7A表示当颗粒过滤器22的温度TF和排气中的氧浓度改变时可被氧化除去的颗粒量G的变化。图7B表示当颗粒过滤器22的温度TF和排气中NOx的浓度改变时可被氧化除去的颗粒量G的变化。应注意的是，在图7A和7B中，虚线表示排气中氧浓度和NOx的浓度为基准值时的情形。在图7A中，[O2]1表示当排气中的氧浓度高于基准值时的情形，而[O2]2表示当氧浓度进一步高于[O2]1时的情形。在图7B中，[NO]1表示当排气中NOx的浓度高于基准值时的情形，而[NO]2表示当NOx的浓度进一步高于[NO]1时的情形。
如果排气中氧浓度变高，则可被氧化除去的颗粒量G增加。但是，由于吸收在活性氧释放剂61中的氧量进一步增加，因而从活性氧释放剂61释放的活性氧也增加。因此，如图7A所示，排气中氧浓度越高，可被氧化除去的颗粒量G增加得越多。
另一方面，如前所述，排气中的NO是在铂Pt的表面上被氧化并变成NO2的。这样产生的一部分NO2被吸收在活性氧释放剂61中，而其余NO2则从铂Pt的表面分离至外界。此时，如果铂Pt接触NO2，则会促进氧化反应。因此，如图7B所示，排气中的NOx的浓度越高，可被氧化除去的颗粒量G增加得越多。但是，NO2促进颗粒氧化的作用只在排气的温度为大约250℃至大约450℃时出现，因而如图7B所示，如果排气中的NOx浓度变高，那么，当颗粒过滤器22的温度TF为大约250℃至450℃时可被氧化除去的颗粒量G增加。
如上所述，计算可被氧化除去的颗粒量G时最好考虑到所有对可被氧化除去的颗粒量G具有影响的因素。但是，在本发明的这个实施例中，可被氧化除去的颗粒量G是只在这些因素中对可被氧化除去的颗粒量具有最大作用的颗粒过滤器22的温度TF和具有相对较大作用的排气中的氧浓度和NOx的浓度的基础上计算的。
即，在本发明的这个实施例中，如图8A至8F所示，在各种温度TF(200℃、250℃、300℃、350℃、400℃和450℃)下的可被氧化除去的颗粒量G被事先储存在ROM32中，呈现为排气中的氧浓度[O2]和排气中NOx的浓度[NO]的函数曲线图的形式。按照颗粒过滤器22的温度、氧浓度[O2]和NOx的浓度[NO]的可被氧化除去的颗粒量G是借助从图8A至8F的图的正比例分布计算的。
应注意的是，排气中的氧浓度[O2]和NOx的浓度[NO]可以使用氧浓度传感器和NOx浓度传感器检测。但是，在本发明的这个实施例中，排气中的氧浓度[O2]事先以图9A中作为需要的转矩TQ和发动机转速N的函数的图的形式储存在ROM32中。排气中的NOx的浓度[NO]事先以作为需要的转矩TQ和发动机转速N的函数的图的形式储存在ROM32中。氧浓度[O2]和NOx浓度[NO]是根据这些图(map)计算的。
另一方面，可被氧化除去的颗粒量G根据发动机类型变化，但是，一旦发动机类型确定，它就变成需要转矩TQ和发动机转速N的函数。图10A表示图1所示内燃机的排放颗粒量M。曲线M1、M2、M3、M4和M5表示等效排放颗粒量(M1＜M2＜M3＜M4＜M5)。在图10A中所示的实例中，需要转矩TQ越高，排放颗粒量M增加得越多。应注意的是，图10A所示的排放颗粒量M是以作为需要转矩TQ和发动机转速N的函数的图的形式事先储存在ROM32中的。
如上所述，在本发明的这个实施例中，铝构成的一层载体在颗粒过滤器22的隔板54的两个侧面和隔板54的小孔的内壁上形成。在上述载体上载有贵金属催化剂和活性氧释放剂。另外，在本发明的这个实施例中，载体载有贵金属催化剂和NOx吸收剂，所述NOx吸收剂当流入颗粒过滤器22中的排气的空燃比稀薄时吸收排气中含有的NOx，而当流入颗粒过滤器22中的排气的空燃比变成理论空燃比或浓稠时则放出吸收的NOx。
在按照本发明的这个实施例中，铂Pt用作贵金属催化剂。碱金属如钾K、钠Na、锂Li、铯Cs、铷Rb，碱土金属如钡Ba、钙Ca、锶Sr和稀土金属如镧La、钇Y中的至少一种用作NOx吸收剂。应注意的是，通过与包括上述活性氧释放剂的金属相比较，显然构成NOx吸收剂的金属和构成活性氧释放剂的金属大部是匹配的。
在这种情形中，可以使用不同金属或相同金属作为NOx吸收剂和活性氧释放剂。当使用相同金属作为NOx吸收剂和活性氧释放剂时，作为NOx吸收剂的功能和作为活性氧释放剂的功能同时表现出来。
接下来以下述实例来描述NOx的吸收和释放作用铂Pt作为贵金属催化剂，钾K用作NOx吸收剂。
首先，考虑NOx的吸收作用，NOx通过与图4A所示相同的机制吸收在NOx吸收剂中。但是，在这种情形中，图4中标号61表示NOx吸收剂。
当流入颗粒过滤器22中的排气的空燃比稀薄时，由于在排气中含有大量过量氧气，如果排气流入颗粒过滤器22的排气流入通道50，如图4A所示，氧气O2以O2-或O22-的形式附着在铂Pt的表面上。另一方面，排气中的NO在铂Pt的表面上与O2-或O22-反应变成。接着，产生的部分NO2被吸收在NOx吸收剂中，同时在铂Pt上被氧化，并如图4A所示以硝酸根离子NO3-的形式扩散在NOx吸收剂61中，同时与钾结合。部分硝酸根离子NO3-产生硝酸钾KNO3。NO以这种方式被吸收在NOx吸收剂61中。
另一方面，当流入颗粒过滤器22中的排气变浓时，硝酸根离子NO3-分解成氧O和NO，然后，NO连续地从NOx吸收剂61释放出来。因此，当流入颗粒过滤器22中的排气的空燃比变浓时，NO在短时间内从NOx吸收剂61释放出来。另外，释放的NO减少，因而无NO排入大气中。
应注意的是，在这种情形中，即使流入颗粒过滤器22的排气的空燃比是理论空燃比，NO也从NOx吸收剂中释放出来。但是，在这种情形中，由于NO只是逐渐地从NOx吸收剂61释放，释放在NOx吸收剂中吸收的全部NOx需要较长时间。
但是，如上所述，可以使用不同的金属作为NOx吸收剂和活性氧释放剂。但是，在本发明的这个实施例中，相同的金属用作NOx吸收剂和活性氧释放剂。在这种情形中，如前所述，NOx吸收剂的功能和活性氧释放剂的功能是同时进行的。同时进行这两种功能的剂称为活性氧释放剂/NOx吸收剂。因此，在本发明的这个实施例中，图4A中的标号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，当流入颗粒过滤器22的排气的空燃比稀薄时，排气中所含的NO被吸收在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中。如果排气中含有的颗粒附着在活性氧释放剂/NOx吸收剂61上，颗粒被排气中的活性氧和从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放的活性氧在短时间内通过氧化除去。因此，此时可以防止排气中的颗粒和NOx排放到大气中去。
另一方面，当流入颗粒过滤器22中的排气的空燃比变浓时，NO从活性氧释放剂/NOx吸收剂释放出来。所述NO被未燃的烃和CO减少，因而此时也没有NO被排放到大气中去。另外，沉积在颗粒过滤器22上的颗粒被从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放的活性氧通过氧化而被除去。
如对照图6已作的说明那样，活性氧从活性氧释放剂61的释放作用是从颗粒过滤器22的温度相当低时开始的。甚至当使用活性氧释放剂/NOx吸收剂61时情况也是这样。与此相反，NOx在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中的吸收作用并不开始，除非颗粒过滤器22的温度TF变得高于活性氧释放开始温度。这被认为是由于下述原因引起的例如，如果从硝酸钾KNO3夺氧则会引起活性氧的释放，而NOx的吸收作用并不开始，除非铂Pt被激活。
图11表示当使用钾K作为活性氧释放剂/NOx吸收剂61时可被氧化除去的颗粒量G和NOx吸收率。从图11可以看出，活性氧的释放作用是当颗粒过滤器22的温度TF低于200℃时开始的，而NOx的吸收作用并不开始，除非颗粒过滤器22的温度TF超过200℃。
另一方面，颗粒过滤器22的温度TF越高，活性氧的释放作用变得越活跃。与此相反，当颗粒过滤器22的温度TF变高时，NOx吸收作用消失。即，如果颗粒过滤器22的温度TF超过一定温度时，在图11的实例中，超过大约500℃时，硝酸根离子NO3-或硝酸钾KNO3在热量下分解，NO从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放。在这种状态中，NO的释放量变得大于NOx的吸收量，因而如图11所示，NOx吸收率下降。
图11表示当使用钾K作为NOx吸收剂或活性氧释放剂/NOx吸收剂61时的NOx吸收率。在这种情形中，当NOx吸收率变高时颗粒过滤器22的温度范围因所用金属而不同。例如，当使用钡Ba作为NOx吸收剂或活性氧释放剂/NOx吸收剂61时，当NOx吸收率变高时颗粒过滤器22的温度范围变得窄于图11所示使用钾K的情形。
但是，如上所述，为了使排气中的颗粒能够被氧化除去而不在颗粒过滤器22上分层沉积，必须使排放颗粒量M小于可被氧化除去的颗粒量G。但是，如果只使排放颗粒量M小于可被氧化除去的颗粒量G，那么，NOx被NOx吸收剂或活性氧释放剂/NOx吸收剂61吸收的作用并不发生。为了保证NOx被NOx吸收剂或活性氧释放剂/NOx吸收剂吸收的作用，必须将颗粒过滤器22的温度TF保持在NOx的吸收作用出现的温度范围内。在这种情形中，必须使在NOx吸收作用出现时颗粒过滤器22的温度范围为NOx吸收率变得大于一定值，例如，大于50％时的温度范围。因此，当使用钾K作为NOx吸收剂或活性氧释放剂/NOx吸收剂61时，如从图11可以看出，颗粒过滤器22的温度TF必须保持在大约250℃至500℃之间。
因此，在本发明的这个实施例中，为了通过氧化除去排气中的颗粒而不致使其在颗粒过滤器22上分层沉积，以及为了吸收排气中的NOx，排放颗粒量M被保持得小于可被氧化除去的颗粒量G，且颗粒过滤器22的温度TF被保持在颗粒过滤器22的NOx吸收率变得大于一定值的温度范围内。也就是说，排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF被保持在图11中阴影线所示的颗粒和NOx同时处理区域内。
即使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度以这种方式保持在颗粒和NOx同时处理区域内，有时排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度会在颗粒和NOx同时处理区域外结束。在这种情形中，在本发明的这个实施例中，排放颗粒量M、可被氧化除去的颗粒量G和颗粒过滤器22的温度TF中的至少一个受到控制，使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度变得在颗粒和NOx同时处理区域之外。这一点将在下面对照图12说明。
首先，描述当排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度达到图12所示颗粒和NOx同时处理区域之外的点A时的情形，即，排放颗粒量M变得大于可被氧化除去的颗粒量G，且颗粒过滤器22的温度TF变得低于颗粒和NOx处理区域的下限温度。在这种情形中，如箭头所示，通过提高颗粒过滤器22的温度TF，排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF返回至颗粒和NOx同时处理区域内。
下面描述排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF达到图12所示颗粒和NOx同时处理区域之外的点B的情形，即，排放颗粒量M变得大于可被氧化除去的颗粒量G，且颗粒过滤器22的温度TF在颗粒和NOx同时处理区域内的情形。在这种情形中，如箭头所示，排放颗粒量M减少以便使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF返回至颗粒和NOx同时处理区域。
下面描述排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF达到图12所示颗粒和NOx同时处理区域以外的点C的情形，即，排放颗粒量M变得大于可被氧化除去的颗粒量G，且颗粒过滤器22的温度TF变得高于颗粒和NOx同时处理区域的上限温度的情形。在这种情形中，如箭头所示，排放颗粒量M减小，且颗粒过滤器22的温度TF下降，以便使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF返回颗粒和NOx同时处理区域。
这样，当排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度变得处于颗粒和NOx同时处理区域之外时，通过减小排放颗粒量M或提高或降低颗粒过滤器22的温度TF，使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度返回颗粒和NOx同时处理区域以内。应注意的是，作为另一种方法，也可以通过增加可被氧化除去的颗粒量G而使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度返回颗粒和NOx同时处理区域内。因此，下面描述减小排放颗粒量M的方法、提高或降低颗粒过滤器22的温度TF的方法和增加可被氧化除去的颗粒量G的方法。
一个有效提高颗粒过滤器22的温度TF的方法是使燃油喷射定时滞后于压缩冲程的上死点之后。即，主燃油Qm通常在压缩冲程附近喷射，如图13(Ⅰ)中所示。在这种情形中，如果使主燃油Qm的喷射定时滞后，如图13(Ⅱ)中所示，那么，后燃时间变长，因而排气的温度升高。如果排气的温度升高，则颗粒过滤器22的温度TF升高。在这种情形中，如果燃油喷射定时的滞后量减小，则颗粒过滤器22的温度TF可被降低。
另外，为了提高颗粒过滤器22的温度TF，如图13(Ⅲ)所示，除了主燃油Qm之外，副燃油Qv可在进气冲程的上死点附近被喷射。如果副燃油Qv按照这种方式被附加喷射，那么，能够燃烧的燃油增加正好是副燃油Qv的量，因而排气的温度升高，因此，颗粒过滤器22的温度TF升高。
另一方面，如果副燃油Qv按照这种方式在进气冲程的上死点附近被喷射，那么，在压缩冲程中压缩热量将从副燃油Qv产生醛、酮、过氧化物、一氧化碳和其它中间产物。主燃油Qm的反应借助这些中间产物而加速。因此，在这种情形中，如图13(Ⅲ)所示，即使主燃油Qm的喷射定时大量滞后，也不会出现缺火，而且可实现良好的燃烧。即，由于可以按照这种方式大幅度滞后主燃油Qm的喷射定时，因而排气的温度显著变高，因而颗粒过滤器22的温度TF可被迅速提高。在这种情形中，如果副燃油Qv的喷射被停止或副燃油Qv的喷射量减小，以便减小主燃油Qm喷射定时的滞后量，那么，颗粒过滤器22的温度TF可被降低。
另外，为了提高颗粒过滤器22的温度TF，如图13(Ⅳ)所示，在膨胀冲程或排气冲程中除主燃油Qm外还可喷射副燃油QP。也就是说，在这种情形中，大部分副燃油QP以未燃烧的烃的形式排放在排气通道内而不被燃烧。未燃烧的烃在颗粒过滤器22上被过量氧气氧化。由于此时产生的氧化反应热量，颗粒过滤器22的温度TF升高。在这种情形中，如果副燃油QP的喷射量减小，则可以降低颗粒过滤器22的温度TF。
下面描述采用低温燃烧以控制排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF的方法。
在图1所示的发动机中，如果EGR率(EGR气体量/(EGR气体量+进气量))增加，那么，产生的烟量逐渐增加并达到峰值。如果EGR率进一步升高，则产生的烟量迅速下降。下面对照图14说明这一点，图14表示当改变EGR气体的冷却程度时EGR率和烟之间的关系。应注意的是，在图14中，曲线A表示强制冷却EGR气体以便将EGR气体的温度保持在大约90℃的情形，曲线B表示用小尺寸冷却装置冷却EGR气体的情形，曲线C表示不强制冷却EGR气体的情形。
如图14的曲线A所示，当强制冷却EGR气体时，当EGR率稍低于50％时，产生的烟量达到峰值。在这种情形中，如果使EGR率大于大约55％，那么，几乎不再产生任何烟。另一方面，如图14的曲线B所示，当稍许冷却EGR气体时，产生的烟量在EGR率变得稍高于50％时达到峰值。在这种情形中，如果使EGR率大于大约65％时，几乎不再产生烟。另外，如图14的曲线C所示，当不强制冷却EGR气体时，产生的烟量接近55％的EGR率时达到峰值。在这种情形中，当EGR率超过大约70％时，几乎不再产生烟。
当使EGR率超过55％时不再产生烟的原因在于，由于EGR气体的吸热作用，在燃烧时燃油及其周围的温度不会变得那么高，即，进行低温燃烧，因此烃不生成烟。
这种低温燃烧具有下述特性不管空燃比如何，能够抑制烟的产生并减少NOx的产生量。即，当使空燃比浓时，燃油变得过量，但是，由于将燃烧温度抑制成低温，因而过量燃油不产生烟，因而不会生成烟。另外，此时只有极小量的NOx产生。另一方面，当空燃比稀薄时或空燃比为理论空燃比时，如果燃烧温度变高，就会产生小量烟，但是，在低温燃烧下，燃烧温度被抑制为低温，因而根本不产生烟，只有极小量NOx产生。
另一方面，如果进行低温燃烧，则燃油及其周围温度变低，但是，排气温度升高。下面对照图15A和15B对此进行说明。
图15A的实线表示当进行低温燃烧时燃烧室5中的平均气体温度Tg和曲轴转角之间的关系，而图15A的虚线表示当进行正常燃烧时，燃烧室5中平均气体温度Tg和曲轴转角之间的关系。另外，图15B的实线表示当进行低温燃烧时燃油及其周围的气体温度和曲轴转角之间的关系，而图15B的虚线表示当进行正常燃烧时燃油及其周围的气体温度Tf和曲轴转角之间的关系。
当进行低温燃烧时，EGR气体量变得比进行正常燃烧时大。因此，如图15A所示，在压缩冲程的上死点之前，即，在压缩冲程的过程中，由实线表示的低温燃烧时的平均气体温度Tg变得高于虚线所示的正常燃烧时的平均气体温度Tg。应注意的是，此时如图15B所示，燃油及其周围的气体温度Tf变得大约与平均气体温度Tg相同。
接着，在压缩冲程的上死点附近开始燃烧。在这种情形中，在低温燃烧时，如图15B的实线所示，由于EGR气体的吸热作用，燃油及其周围的气体温度Tf不致变得那么高。与此相反，在正常燃烧时，燃油周围存在大量氧气，如图15B的虚线所示，燃油及其周围的气体温度Tf变得极高。当以这种方式进行正常燃烧时，与低温燃烧的情形比较，燃油及其周围的气体温度变得相当高，但是，当进行正常燃烧时，与进行低温燃烧时比较，除大部分外的气体温度变得比较低。因此，如图15A所示，在低温燃烧时，与正常燃烧比较，在压缩冲程上死点附近燃烧室5中的平均气体温度Tg变得较高。因此，如图15A所示，在低温燃烧时，与正常燃烧比较，在燃烧结束后燃烧室5中的已燃气体的温度变得较高。因此，在低温燃烧时，排气的温度变高。
如果以这种方式进行低温燃烧，产生的烟量，即，排放颗粒量M变得较小，而排气的温度升高。因此，如果在发动机工作过程中从正常燃烧转换成低温燃烧，则可以减小排放颗粒量M并升高颗粒过滤器22的温度TF。与此相反，如果从低温燃烧转换成正常燃烧，颗粒过滤器22的温度TF下降。但是，此时排放颗粒量M增加。无论哪种情形，通过正常燃烧和低温燃烧之间的转换可以控制排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度。但是，如果发动机的需要转矩TQ变高，即，如果燃油喷射量变大，燃烧时燃油及其周围的温度变高，因而低温燃烧变难。即，只有在发动机中、低负载工作，燃烧产生的热量相对较小时低温燃烧才变为可能。在图16中，在区域Ⅰ表示的工作区域内可以进行第一燃烧，即，低温燃烧，燃烧室5内存在比烟的产生达到峰值时的惰性气体量较大的惰性气体量，而在区域Ⅱ表示的工作区域内可以进行第二燃烧，即，正常燃烧，在燃烧室5内存在比烟的产生达到峰值时的惰性气体量较小的惰性气体量。
图17表示在工作区域Ⅰ内低温燃烧的情形中的目标空燃比A/F，而图18表示在工作区域Ⅰ内低温燃烧时的EGR控制阀17的开度、EGR控制阀25的开度、EGR率、空燃比、喷射开始定时θS、喷射结束定时θE和根据需要转矩TQ的喷射量。应注意的是，图18也表示在工作区域Ⅱ中进行的正常燃烧时节气门17的开度。从图17和图18可以看出，当在工作区域Ⅰ中进行低温燃烧时，使EGR率超过55％。并使空燃比A/F为15.5至大约18的稀薄空燃比。应注意的是，如上所述，当在工作区域Ⅰ中进行低温燃烧时，即使使空燃比变浓，几乎也不会产生烟。
下面描述用于提高颗粒过滤器22的温度的另一种方法。图19表示适于实施这种方法的发动机。现在参阅图19，在这种发动机中，一个烃输送装置70设置在排气管20中。烃根据需要从烃输送装置70送至排气管20内。如果输送烃，烃被颗粒过滤器22上过量氧氧化。由于此时的氧化反应的热量，颗粒过滤器22的温度TF升高。在这种情形中，通过减小烃的输送量就可以降低颗粒过滤器22的温度TF。应注意的是，烃输送装置70可以布置在颗粒过滤器22和排气道10之间的任何部位。
下面描述用于升高颗粒过滤器22的温度TF的另一种方法。图20表示适于实施这种方法的发动机。现在参阅图20，在这种发动机中，由一个致动器72驱动的一个排气控制阀73布置在颗粒过滤器22下游的排气管71中。
在这种方法中，当准备升高颗粒过滤器22的温度TF时，使排气控制阀73基本上完全关闭。为了防止由于排气控制阀73基本上完全关闭而引起发动机输出转矩减小，增加主燃油Qm的喷射量。如果排气控制阀73基本上完全关闭，那么，排气控制阀73上游的排气通道中的压力，即，背压升高。如果背压升高，当排气从燃烧室5内排至排气道10内时，排气的压力并不下降得那么多，因此，温度不再下降得那么低。另外，此时由于主燃油Qm的喷射量增加，在燃烧室5中已燃气体的温度升高。因此，排入排气道10中的排气的温度显著升高，因此，使颗粒过滤器22的温度迅速升高。
在这种情形中，可以增加排气控制阀73的开度并减小主燃油Qm的喷射量，以便降低颗粒过滤器22的温度。
下面描述用于升高颗粒过滤器22的温度TF的另一种方法。图21表示适于实施这种方法的发动机。现在参阅图21，在这种发动机中，由一个致动器75控制的废气门阀76布置在与排气透平21并接的排气旁路74内。致动器75通常响应于平衡罐12内的压力，即，增压压力而被驱动的、控制废气门阀76的开度，以便使增压压力不致变得高于一定值。
在这种方法中，当应升高颗粒过滤器22的温度TF时，废气门阀76被完全打开。如果排气流过排气透平21则温度下降，但是，如果废气门阀76完全打开，大量排气就会流过排气旁路74，因而温度不再下降。因此，颗粒过滤器22的温度升高。在这种情形中，通过减小废气门阀76的开度可以降低颗粒过滤器22的温度TF。
下面描述减小排放颗粒量M的方法。即，喷射的燃油和空气混合得越充分，即，围绕喷射的燃油的空气量越大，喷射的燃油燃烧得越好，因而产生较少的颗料。因此，为了减少排放颗粒量M，更充分地混合喷射的燃油和空气就可以了。如果喷射的燃油和空气被很好地混合，但是，由于燃烧变得活跃，NOx的产生量会增加。因此，换言之，可以说减小排放颗粒量M的方法就是增加可被氧化除去的颗粒量的方法。
无论那种情形，存在各种用于减小排放颗粒量M的方法。因此，下面相继地描述这些方法。
也可以采用上述的低温燃烧作为用于减小排放颗粒量PM的方法，但是，也可以提到作为另一种有效方法的控制燃油喷射法。例如，如果减小燃油喷射量，那么，充足的空气就会存在于喷射的燃油的四周，因而减小排放颗粒量M。
另外，如果燃油喷射提前，那么，充足的空气就会存在于喷射的燃油的四周，因而减小排放颗粒量M。另外，如果共用横栏27内的燃油压力，即，喷射压力提高，使燃油弥散，喷射的燃油和空气之间的混合变好，从而减小排放颗粒量M。另外，当副燃油在压缩冲程结束时，恰好在主燃油Qm喷射前被喷射，即，当进行所谓的引燃喷射时，围绕主燃油Qm的空气变得更不充分，这是由于氧被副燃油的燃烧消耗。因此，在这种情形中，排放颗粒量M通过停止引燃喷射而减小。
即，当为了减小排放颗粒量M而控制燃油喷射时，燃油喷射量被减小，燃油喷射定时被滞后，喷射压力被提高或引燃喷射被停止。
下面描述用于减小排放颗粒量M的另一种方法。在这种方法中，当准备减小排放颗粒量M时，EGR控制阀25的开度被减小以降低EGR率。如果EGR率下降，围绕喷射的燃油的空气量增加，因而排放颗粒量M下降。
下面描述用于减小排放颗粒量M的另一种方法。在这种方法中，当准备减小排放颗粒量M时，废气门阀76(图21)的开度被减小以增加增压压力。如果增压压力提高，那么，围绕喷射的燃油的空气量增加，因而排放颗粒量M下降。
下面描述用于增加排气中的氧浓度以增加可被氧化除去的颗粒量G的方法。如果排气中的氧浓度增加，活性氧释放剂61中吸收的氧量增加，因而从活性氧释放剂61释放的活性氧量增加，从而使可被氧化除去的颗粒量G增加。
作为实施上述方法的一种方式，可以提到控制EGR率法。即，当准备增加可被氧化除去的颗粒量G时，将EGR控制阀25的开度减小，从而使EGR率下降。EGR率的下降意味着在进气中进入的空气量的比率增加。因此，如果EGR率下降，排气中的氧浓度增加。因此，排气颗粒量M增加。另外，如果EGR率下降，排气颗粒量M迅速变得小于可被氧化除去的颗粒量G。
下面描述使用二次空气以增加排气中氧浓度的方法。在图22所示的实例中，在排气透平21和颗粒过滤器22之间的排气管77通过二次空气输送管78连接于进气管13，而一个输送控制阀78布置在二次空气输送管78中。另外，在图23所示实例中，二次空气输送管78连接于一个发动机驱动的空气泵80。应注意的是，二次空气送入排气通道的位置可以在颗粒过滤器22和排气道10之间的任何部位。
在图22或图23所示的发动机中，当准备增加排气中氧浓度时打开输送控制阀79。此时，二次空气从二次空气输送管78送至排气管77。因此，排气中的氧浓度增加。
如上所述，当排气的空燃比稀薄时，排气中的NOx被吸收在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中。但是，NOx吸收剂61的NOx吸收能力是有极限的。在活性氧释放剂/NOx吸收剂61的NOx吸收能力变得饱和之前必须使活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放NOx。因此，必须估计活性氧释放剂/NOx吸收剂61中吸收的NOx量。因此，在本发明的这个实施例中，事先以作为需要转矩TQ和发动机转速N的函数的图24所示的图的形式找出单位时间NOx的吸收量A。通过逐渐累加单位时间NOx吸收量A，可以估计活性氧释放剂/NOx吸收剂61中吸收的NOx量∑NOX。
另外，在本发明的这个实施例中，当NOx吸收量∑NOX超过一个预定的允许最大值MAXN时，使流入活性氧释放剂/NOx吸收剂61中的排气的空燃比暂时变浓。因此，使NOx从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放出来。
但是，排气含有SOx。活性氧释放剂/NOx吸收剂61不仅吸收NOx，也吸收SOx。在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中吸收SOx的机制与吸收NOx的机制相同。
按照上面描述的吸收NOx的机制相同的方式，以在载体上载有铂Pt和钾K为例进行描述，当排气的空燃比稀薄时，氧气O2以O2-和O22-的形式附着在铂Pt的表面。排气中的SO2与铂Pt表面上的O2-和O22-反应生成SO3。接着，产生的SO3的一部分被吸收在活性氧释放剂61中，同时在铂Pt上被氧化，并以硫酸根SO42-的形式扩散在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中，同时与钾K结合产生硫酸钾K2SO4。
但是，硫酸钾K2SO4是稳定的，难于分解。如上所述，即使为了从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放NOx而使排气的空燃比变浓，硫酸钾K2SO4仍保持原样而不分解。因此，硫酸钾K2SO4随时间而在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中增加。因此，活性氧释放剂/NOx吸收剂61可以吸收的NOx量随时间下降。
当活性氧释放剂/NOx吸收剂61的温度超过根据活性氧释放剂/NOx吸收剂61确定的一定温度例如600℃时，硫酸钾K2SO4分解。此时，如果使流入活性氧释放剂/NOx吸收剂61中的排气的空燃比变浓，SOx从活性氧释放剂/NOx吸收剂61放出。但是，SOx从活性氧释放剂/NOx吸收剂61的释放与NOx从活性氧释放剂/NOx吸收剂61的释放相比需要显著长的时间。
因此，在本发明的这个实施例中，当准备从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放SOx时，活性氧释放剂/NOx吸收剂61的温度升高至大约600℃，同时保持空燃比稀薄且排放颗粒量M小于可被氧化除去的颗粒量G的状态，然后，使SOx从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放，同时交替地使流向活性氧释放剂/NOx吸收剂61的排气的空燃比在浓和稀之间变换。
在这种情形中，为将活性氧释放剂/NOx吸收剂的温度提高至大约600℃，存在各种方法。在本发明的这个实施例中，如图13的(Ⅲ)中所示，副燃油Qv被喷射，且主燃油Qm的喷射定时被滞后，或者，如图13的(Ⅳ)中所示，副燃油Qp在主燃油Qm的喷射之后喷射，以便将活性氧释放剂/NOx吸收剂61的温度TF提高至大约600℃。
另外，当活性氧释放剂/NOx吸收剂的温度TF提高至大约600℃时，空燃比稀薄且排放颗粒量M小于可被氧化除去的颗粒量G的状态被保持。因此，此时，即使颗粒沉积在颗粒过滤器22上，当活性氧释放剂/NOx吸收剂61的温度TF升高至大约600℃时，沉积的颗粒也会被氧化而除去。
另一方面，为了使流入活性氧释放剂/NOx吸收剂61的排气的空燃比变浓而使NOx或SOx从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释出，存在各种方法。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中的空燃比变浓，可以使流入活性氧释放剂/NOx吸收剂61中的排气的空燃比变浓。
另外，如图13的(Ⅳ)中所示，通过在主燃油Qm的喷射后喷射副燃油Qp，并增加副燃油Qp量也可以使流入活性氧释放剂/NOx吸收剂61的排气的空燃比变浓。另外，在图19所示，也可以设置一个烃输入装置70，从烃输送装置70喷射烃，并借助烃使流入活性氧释放剂/NOx吸收剂61的排气的空燃比变浓。
另外，如上所述，当排气的空燃比变浓时，活性氧一下从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释出。因此，沉积在颗粒过滤器22上的颗粒迅速被氧化。但是，甚至在此之后，如果排气的空燃比继续变浓，氧并不储存在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中，而且在排气中几乎不存在氧。因此，颗粒分层沉积在颗粒过滤器22上而不被氧化。
因此，在本发明的这个实施例中，当排放SOx时，需要长期使空燃比浓稠，如上所述，流入活性氧释放剂/NOx吸收剂61的排气的空燃比在浓和稀之间交替变换。借助这样做，当排气的空燃比变稀时，颗粒过滤器22上的颗粒被排气中的活性氧或从活性氧释放剂/NOx吸收剂61放出的活性氧氧化而被除去。因此，在颗粒过滤器22上可防止颗粒分层沉积。
图25A表示当从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放SOx时，通过控制输入燃烧室5中的燃油量交替地使排气的空燃比在稀和浓之间变换的情形。图25B表示当从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放SOx时，通过控制送入排气管20中的烃量来交替地使排气的空燃比在稀和浓之间变换的情形。
下面对照图26描述当准备从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放NOx时设定的NOx释放标志和当准备从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放SOx时设定的SOx释放标志的处理流程。应注意的是，该流程是每隔一定时间进行的。
现在参阅图26，首先，在步骤100，根据图24所示的图计算单位时间NOx吸收量A。接着，在步骤101,A被累加至NOx吸收量∑NOX。接着，在步骤102，决定NOx吸收量∑NOX是否已经超过允许最大值MAXN。当∑NOX＞MAXN时，流程进行至步骤103，设置表示准备释放NOx的NOx释放标志。接着，流程进行至步骤104。
在步骤104，常数K与喷射量Q的积KQ累加成∑SOX。燃油含有一定量的硫S。因此，在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中吸收的SOx量可以表示为KQ。因此，连续累加得到的∑SOX表示在活性氧释放剂/NOx吸收剂61中估计被吸收的SOx量。在步骤105，决定SOx的量∑SOX是否超过允许最大值MAXS。当∑SOX＞MAXS时，流程进行至步骤106，在该步骤设置SOx释放标志。
下面对照图27和图28描述操作的控制。
现在参阅图27和图28，首先，在步骤200，决定是否设置SOx释放标志。当未设定SOx释放标志时，流程进行至步骤201，在该步骤决定颗粒过滤器22的温度TF是否低于图11中阴影线所示的颗粒和NOx同时处理区域的下限温度Tmin，如250℃。当TF＜Tmin时，流程进行至步骤202，在该步骤，实施用于升高颗粒过滤器22的温度TF的方法之一。接着，流程进行至步骤207。
另一方面，在步骤201确定TF≥Tmin时，流程进行至步骤203，在该步骤203，决定颗粒过滤器22的温度TF是否高于图11中阴影线所示颗粒和NOx同时处理区域的上限温度Tmax，例如500℃。当TF＞Tmax时，流程进行至步骤204，在该步骤实施用于降低颗粒过滤器22的温度TF的方法之一。接着，流程进行至步骤207。
另一方面，当在步骤203确定TF≤Tmax时，流程进行至步骤205，在该步骤决定排放颗粒量M是否大于可被氧化除去的颗粒量G。当M＞G时，流程进行至步骤206，在该步骤实施用于减小排放颗粒量M的方法之一或用于增加可被氧化除去的颗粒量G的方法之一。接着，流程进行至步骤207。
另一方面，当在步骤205确定M≤G时，流程进行至步骤207。在步骤207决定NOx标志是否已被设置。当NOx释放标志已被设置时，流程进行至步骤208，在该步骤节气门17的开度受到控制，然后在步骤209，EGM控制阀25的开度受到控制。接着，在步骤210，燃油喷射受到控制。
与此相反，当在步骤207判断NOx释放标志已被设置时，流程进行至步骤211，在该步骤，节气门17的开度受到控制。接着，在步骤212,EGR控制阀25的开度受到控制。接着，在步骤213，实施使排气的空燃比暂时浓稠以便释放NOx的方法之一，并再次设置NOx释放标志。
另一方面，当在步骤200确定SOx释放标志已被设置时，流程进行至步骤214，在该步骤决定颗粒过滤器22的温度TF是否高于可以释放SOx的温度，例如600℃。当TF≤600℃时，流程进行至步骤215，节气门17的开度受到控制，然后，在步骤216,EGR控制阀25的开度受到控制。
接着，在步骤217决定排放颗粒量M是否大于可被氧化除去的颗粒量G。如果M＞G，流程进行至步骤218，在该步骤实施用于减小排放颗粒量M的方法之一或用于增加可被氧化除去的颗粒量G的方法之一。接着，在步骤219实施用于将颗粒过滤器22的温度TF升高至大约600℃的方法之一。
另一方面，当在步骤214确定TF＞600℃时，流程进行至步骤220，在该步骤，节气门17的开度受到控制，然后，在步骤221,EGR控制阀25的开度受到控制。接着，在步骤222，通过交替地使排气的空燃比在浓和稀之间变换，控制SOx的释放，以便从活性氧释放剂/NOx吸收剂61释放SOx。
接着，在步骤223，从SOx量∑SOX减去SOx释放量ΔSOx。可以使SOx释放量ΔSOx为一定值，或者可以按照发动机工作状态变化。接着，在步骤224决定SOx量∑SOX是否已经变负。当∑SOX＜0时，流程进行至步骤225，在该步骤再次设置NOx释放标志和SOx释放标志。
但是，一般来说，在内燃机中，在发动机低负载工作时，排气的温度不高。因此，有时难于使可被氧化除去的颗粒量G大于排放颗粒量M。但是，如上所述，如果进行低温燃烧，排放颗粒量M极小。另外，由于排气温度高，颗粒过滤器22的温度TF变高。因此，甚至在发动机低负载工作中也能够容易地增加排放颗粒量M。因此，可以说低温燃烧极适于本发明的排气净化设备。
但是，如上所述，这种低温燃烧只在图16所示的低侧工作区域Ⅰ中进行，而在高侧工作区域Ⅱ中并不进行。因此，甚至当进行低温燃烧时，低温燃烧也只在图16的工作区域Ⅰ中进行。当发动机工作状态越过边界X(N)且移至工作区域Ⅱ时，低温燃烧变换成正常燃烧。即，低温燃烧在工作区域Ⅰ中进行，而正常燃烧在工作区域Ⅱ中进行。
图29表示内装颗粒过滤器22的壳体23的另一实施例。应注意的是，在图29中，在图1中所示类似的零件使用相同的标号。
在该实施例中，与图3B所示颗粒过滤器结构相同的颗粒过滤器22按照从图3B所示颗粒过滤器转动90°的状态布置。在颗粒过滤器22中使排气有选择地以两个方向循环。
另外，在该实施例中，如图29所示，一个变换阀装置92布置在壳体23内延伸的排气通道内。在该实施例中，变换阀装置92是由一个排气变换阀构成的。该变换阀被排气变换阀驱动装置93驱动。另外，在该实施例中，一条延伸至颗粒过滤器22的排气流出和流入端面之一的第一通道90、一条延伸至颗粒过滤器22的排气流出和流入端面中的另一个的第二通道91和一条与外界连通的排气旁路，即，排气通道81从变换阀装置92分支。排气的流向可以由变换阀装置92在穿过第一通道90颗粒过滤器22和第二通道91朝向排气通道81的第一方向，即，正向流动方向、穿过第二通道91、颗粒过滤器22和第一通道90朝向排气通道81的第二方向，即，逆向流动方向和不穿过颗粒过滤器22而直接朝向排气通道81的第三方向之间变换。
当使排气沿正向流动方向穿过颗粒过滤器22时，排气流入图3B中的排气循环通道50，然后，穿过隔板54流出，流入排气循环通道51。当排气沿逆向流动反向穿过颗粒过滤器22时，排气流入图3B中的排气循环通道51，然后，穿过隔板54流出，进入排气循环通道50。
图30是图3B所示颗粒过滤器22的隔板54的放大图。在图30中，标号94表示隔板54内延伸的排气通道，标号95是颗粒过滤器的基片，标号96是承载在颗粒过滤器的隔板54的表面上的活性氧释放剂/NOx吸收剂，标号97是承载在颗粒过滤器的隔板54内的活性氧释放剂/NOx吸收剂。
图31A和31B是图29所示的颗粒过滤器22的放大图。具体来说，图31A是颗粒过滤器的放大平面图，而图31B是颗粒过滤器的放大侧视图。图32A至图32C是排气变换阀92的开关位置和排气流动之间的关系图。具体来说，图32A是排气变换阀92处于正向流动位置时的视图，图32B是排气变换阀92处于逆向流动位置时的视图，图32C是排气变换阀处于旁路位置时的视图。当排气变换阀92处于正向流动位置时，如图32A所示，流过排气变换阀92并流入壳体23的排气首先流过第一通道90，然后流过颗粒过滤器22，最后流过第二通道91，并再次流过排气变换阀92并排至排气通道81。当排气变换阀92处于逆向流动位置时，如图32B所示，流过排气变换阀92并流入壳体23中的排气首先流过第二通道91，然后与图32A所示情况逆向地流过颗粒过滤器22，最好流过第一通道90，并再次流过排气变换阀92，排至排气管81。当排气变换阀92处于旁路位置时，如图32C所示，第一通道90中的压力和第二通道91中的压力变得相等，因而到达排气变换阀92的排气流过排气变换阀92并原样在排气管81内流出而不流入第一通道90或第二通道91。排气变换阀92以预定的定时，例如，每次发动机减速运转时被变换。
图33A和33B表示当颗粒过滤器22的隔板54中的颗粒按照排气变换阀92的位置变换运动时的情形。更具体来说，图33A是排气变换阀92处于正向流动位置(图32A)时颗粒过滤器22的隔板54的放大剖视图，图33B是当排气变换阀92从正向流动位置变换至逆向流动位置(图32B)时颗粒过滤器22的隔板54的放大剖视图。如图33A所示，当排气变换阀92变至正向流动位置，且排气从上侧流向下侧时，在隔板54中的排气通道95内的颗粒98被推向隔板54内的活性氧释放剂/NOx吸收剂，并逐渐沉积在那里。因此，不与活性氧释放剂/NOx吸收剂直接接触的颗粒98未被充分氧化。接着，如图33B所示，当排气变换阀92从正向流动位置变换成逆向流动位置，且排气从下侧流向上侧时，隔板54内的排气通道94中的颗粒98借助排气流移动。因此，使未被充分氧化的颗粒98与活性氧释放剂/NOx吸收剂直接接触，并被完全氧化。另外，当排气变换阀92处于正向流动方向(图3A)时，部分沉积在颗粒过滤器的隔板54表面上存在的活性氧释放剂/NOx吸收剂96上的颗粒通过排气变换阀92从正向流动位置变换至逆向流动位置(图33B)而与颗粒过滤器22的隔板54表面上的活性氧释放剂/NOx吸收剂96分离。颗粒过滤器22的温度越高，颗粒分离量变得越大，并且排气量越大，颗粒分离量变得越大。颗粒过滤器22的温度越高，颗粒分离量增加，其原因在于，起到使颗粒沉积的粘合剂作用的SOF和颗粒之间的粘合力在颗粒过滤器22的温度变高时变弱。
在本实施例中，由于排气变换阀92从图32A所示的正向流动位置变换成图32B所示的逆向流动位置，以及从图32B所示的逆向流动位置变换成图32A所示的正向流动位置，落入颗粒过滤器22的隔板54内的颗粒弥散在颗粒过滤器22的隔板54的一侧和另一侧。通过排气变换阀92的这种变换可以减小颗粒在颗粒过滤器22的隔板54上沉积而不被氧化消除的可能性。应注意的是，落入颗粒过滤器22的隔板54内的颗粒在颗粒过滤器22的隔板54的一侧和另一侧最好弥散的程度相同。
另外，在图29所示的实施例中，为了氧化和消除未沉积在颗粒过滤器22上的排气中的颗粒及吸收排气中的NOx，通常将排放颗粒量M保持得小于可被氧化除去的颗粒量G，并且将颗粒过滤器22的温度TF保持在使颗粒过滤器22的NOx吸收率变得大于一定值的温度范围内。即，将排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF保持在图11阴影线所示的颗粒和NOx同时处理区域内。
另一方面，如上所述，即使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度被保持在颗粒和NOx同时处理区域内，有时排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度会终止在颗粒和NOx同时处理区域以外。在这种情形中，在本实施例中，排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度TF中的至少一个受到控制，因而使排放颗粒量M、可被氧化除去的颗粒量G和颗粒过滤器22的温度变得在颗粒和NOx同时处理区域内。在这种情形中，排放颗粒量M、可被氧化除去的颗粒量G或颗粒过滤器22的温度TF可以通过上面对照图13至图18所述的方法受到控制。
图34至图39所示的各实施例表示图19至图23所示各实施例在具有图29所示结构的壳体23的发动机上的应用的情形。
图34表示一种适于升高颗粒过滤器22的温度TF的发动机。现在参阅图34，在这种发动机中，烃输送装置70,100和101分别布置在排气管20、第一通道90和第二通道91中。烃根据需要从烃输送装置70,100和101输送。当输送烃时，烃被颗粒过滤器22上的过量氧氧化。颗粒过滤器22的温度TF借助此时的氧化反应升高。在这种情形中，通过减小烃的输送量可以降低颗粒过滤器22的温度TF。应注意的是，烃输送装置70也可以布置在颗粒过滤器22和排气通道10之间的某处。在图34中，标号102和103代表空燃比传感器。
图35表示适于升高颗粒过滤器22的温度TF的一种发动机。现在参阅图35，在这种发动机中，一个由致动器72驱动的排气控制阀73布置在排气变换阀92下游的排气管81中。当颗粒过滤器22的温度TF升高时，排气控制阀73基本上完全闭合。为了防止发动机输出转矩由于排气控制阀73基本完全闭合而下降，将主燃油Qm的喷射量增加。另一方面，通过增加排气控制阀73的开度及减小主燃油Qm的喷射量可以降低颗粒过滤器22的温度。
图36表示适于升高颗粒过滤器22的温度TF的另一种发动机。现在参阅图36，在这种发动机中，一个由致动器75驱动的废气门阀76布置在与排气透平21并置的排气旁路74中。致动器75被平衡罐12内的压力，即，增加压力驱动，并控制废气门阀76的开度，使增压压力不致变得高于一定压力。当应升高颗粒过滤器22的温度TF时，废气门阀76被完全打开。
另一方面，通过减小废气门阀76的开度，可以降低颗粒过滤器22的温度TF。
另外，在另一实施例中，当排气的温度低于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃，并且存在颗粒过滤器22的温度变得低于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃的可能性时，如图32C所示，使排气越过颗粒过滤器22。因此，颗粒过滤器22的温度TF被保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围内，即，250℃至500℃。另外，当排气的温度高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃，并且存在颗粒过滤器22的温度变得高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃的可能性时，使排气越过颗粒过滤器22，如图32C所示。因此，颗粒过滤器22的温度TF被保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围内，即，250℃至500℃。这种状态例如是发动机迅速加速的操作。在这种情形中，发动机是否处于迅速加速中可以在例如加速踏板的压下量、曲轴的转角速度、发动机转速、转矩、排气温度、进气量等的基础上确定。另一方面，当排气的温度处于使NOx吸收率变得大于50％的范围内，即，250℃至500℃，并且不存在使颗粒过滤器22的温度TF终止在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃以外的可能性时，排气变换阀92被保持在图32A或图32B所示的位置，使排气不越过颗粒过滤器22，从而使颗粒过滤器22的温度TF被保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围内，即，250℃至500℃。排气的温度可以实际测量，也可以在发动机工作的基础上估计。另外，如上所述通过变换排气变换阀92及改变发动机工作状态，颗粒过滤器22的温度TF可被保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围内，即，250℃至500℃。
另外，当排气的温度低于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃，并且颗粒过滤器22的温度TF低于使NOx吸收率变得大于50％的范围，即，250℃至500℃时，如上所述，改变发动机的工作状态以升高排气的温度，将排气变换阀92变换至正向流动位置(图32A)或逆向流动位置(图32B)，以便使温度升高的排气流入颗粒过滤器22，然后，将排气变换阀92变换至旁路位置(图32C)，以便密封在颗粒过滤器22内升高温度的排气，并且将颗粒过滤器22的温度TF升高到使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃。在这种情形中，借助温度传感器39可检测颗粒过滤器22的温度TF的任何变化，并估计颗粒过滤器22中的温度分布，并且可以选择排气向颗粒过滤器22的流向，并在此基础上准备使用烃输送装置100,101来输送烃。
在这个实施例中，在第二通道91(图29)内设有冷却片或其它冷却装置(未画出)。在这个实施例中，当排气的温度处于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围内，即，250℃至500℃，并且不存在颗粒过滤器22的温度TF变得在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃之外的可能性时，通过将排气送入没有冷却装置的第一通道90可以将流入颗粒过滤器22的排气的温度保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃之内，并且将颗粒过滤器22的温度TF保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃之间。另一方面，当排气的温度高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃，并且存在颗粒过滤器22的温度TF变得高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃的可能性时，通过将排气送入带有冷却装置的第二通道，将流入颗粒过滤器22的排气的温度保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃内，并将颗粒过滤器22的温度TF保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃内。
图37表示另一实施例。在这个实施例中，作为对上述实施例中设置冷却装置的替代，第二通道91的排气通道的长度长于第一通道90的排气通道长度。在这个实施例中，当排气的温度处于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃之内，并且不存在颗粒过滤器22的温度变得处于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃之外的可能性时，通过将排气送入排气通道短的第一通道90内，将流入颗粒过滤器22的排气的温度保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃之内，并将颗粒过滤器22的温度TF保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃之内。另一方面，当排气的温度高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃，并且存在颗粒过滤器22的温度TF变得高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃的可能性时，通过将排气送入排气通道长的第二通道，将流入颗粒过滤器22的排气的温度保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围。即，250℃至500℃内，并将颗粒过滤器22的温度TF保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃内。
另外，在上述实施例中，当颗粒过滤器22的温度TF处于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即250℃至500℃内，并且存在颗粒过滤器22的温度TF变得低于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃的可能性时，当燃油的输送暂停时，将排气变换阀92变换至旁路位置(图32C)，使排气越过颗粒过滤器22，从而将颗粒过滤器22的温度保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃内。应注意的是，此时，由于燃油的输送被停止，即使排气越过颗粒过滤器22,NOx也不会排至车辆以外。在这个实施例中，当颗粒过滤器22的温度TF高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃，并且颗粒过滤器22的温度TF必须被降低时，排气变换阀92被变换至正向流动位置(图32A)或逆向流动位置(图32B)，在燃油输送暂停时使温度相对较低的排气流入颗粒过滤器22，因而颗粒过滤器22的温度TF被保持在使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃内。作为按照这种方式禁止排气越过颗粒过滤器22的情形，不仅存在当颗粒过滤器22的温度TF实际变得高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃时暂时输送燃油的情形，也存在排气旁流的情形，其中颗粒过滤器22的温度TF终止得高于使NOx吸收率变得大于50％的温度范围，即，250℃至500℃。
另一方面，如上所述，当排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度在颗粒和NOx同时处理区域以外时，可以减小排放颗粒量M或增加可被氧化除去的颗粒量G，以便使排放颗粒量M和颗粒过滤器22的温度恢复在颗粒和NOx同时处理区域内。在这种情形中，可以采用前述各种方法作为用于减小排放颗粒量的方法。另外，同样可以采用前述各种方法作为用于增加排气中氧浓度以便增加可被氧化除去的颗粒量G的方法。
另外，如上所述，为增加排气中的氧浓度可以采用二次空气。在图38所示的实例中，排气透平21和颗粒过滤器22之间的排气管77通过二次空气输送管78连接于进气管13，输送控制阀79设在二次空气输送管78中。另外，在图39所示实例中，二次空气输送管78连接于一个发动机驱动的空气泵80。应注意的是，向排气通道输送二次空气的位置可以是颗粒过滤器22和排气道10之间的任意部位。在图38或图39所示的发动机中，当准备增加排气中的氧浓度时，输送控制阀79被打开。此时，二次空气从二次空气输送管78送至排气管77，因而增加排气中的氧浓度。
应注意的是，本发明也可以应用在一种排气净化设备上，这种排气净化设备中将氧化催化剂布置在颗粒过滤器上游的排气通道内，借助这种氧化催化剂将排气中的NO转变成NO2，使NO2和沉积在颗粒过滤器上的颗粒反应，使NO2来氧化颗粒。
如上所述，按照本发明，可以连续地氧化并除去在颗粒过滤器上的排气中的颗粒，同时也净化排气中的NOx。
虽然已经结合为进行说明而选择的具体实施例描述了本发明，但是显然本专业技术人员可对其进行各种修改而并不超出本发明的基本构思和范围。
权利要求
1．具有燃烧室的发动机排气净化器，包括一条排气通道和设置在所述排气通道中用于除去从所述燃烧室排出的排气中的颗粒的颗粒过滤器；所述颗粒过滤器是具有下述功能的颗粒过滤器当从燃烧室单位时间排出的排放颗粒量小于单位时间可通过氧化除去而不在颗粒过滤器上发出黄焰的颗粒量时通过氧化除去排气中的颗粒而不发出黄焰，以及在流入颗粒过滤器的排气的空燃比稀薄时吸收排气中的NOx，且在流入颗粒过滤器的排气的空燃比变成理论空燃比或浓稠时释放可吸收的NOx；在一个温度区域中所述排放颗粒量和所述颗粒过滤器的温度通常保持在颗粒和NOx同时处理区域中，其中总是使排放颗粒量变得小于可被氧化除去的颗粒量，且NOx吸收率变得大于一定值。
2．如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于贵金属催化剂承载在颗粒过滤器上。
3．如权利要求2所述的排气净化器，其特征在于在颗粒过滤器上承载活性氧化释放剂，当周围存在过量氧时吸收和容纳氧，而周围的氧浓度下降时以活性氧的形式释放所容纳的氧，当颗粒附着在颗粒过滤器上时，活性氧从活性氧释放剂释放出来，附着在颗粒过滤器上的颗粒被释放的活性氧氧化。
4．如权利要求2所述的排气净化器，其特征在于在颗粒过滤器上承载NOx吸收剂，它用于在流入颗粒过滤器的排气的空燃比稀薄时吸收排气中的NOx，而当流入颗粒过滤器的排气的空燃比变成理论空燃比或浓稠时释放所吸收的NOx；流入颗粒过滤器的排气的空燃比通常保持稀薄，因而使排气中的NOx被吸收在NOx吸收剂中，设有空燃比控制装置，其用于当准备从NOx吸收剂释放NOx时使流入颗粒过滤器的排气的空燃比暂时变浓。
5．如权利要求2所述的排气净化器，其特征在于在颗粒过滤器上承载活性氧化释放剂/NOx吸收剂，具有活性氧化释放剂的功能，当周围存在过量氧时吸收和容纳氧，而当周围的氧浓度下降时以活性氧的形式释放所容纳的氧，以及具有NOx吸收剂的功能，当流入颗粒过滤器的排气的空燃比稀薄时吸收排气中的NOx，而当流入颗粒过滤器的排气的空燃比变成理论空燃比或浓稠时释放所吸收的NOx；流入颗粒过滤器的排气通道保持稀薄，因而使附着在颗粒过滤器上的颗粒被氧化，并使排气中的NOx被吸收在活性氧释放剂/NOx吸收剂中，设有空燃比控制装置，其用于当准备从活性氧化释放剂/NOx吸收剂释放NOx时使流入颗粒过滤器的排气的空燃比暂时变浓。
6．如权利要求5所述的排气净化器，其特征在于活性氧化释放剂/NOx吸收剂由碱金属、碱土金属、稀土金属和过渡金属中的至少一种构成。
7．如权利要求6所述的排气净化器，其特征在于碱金属和碱土金属由比钙离子化趋势高的金属构成。
8．如权利要求6所述的排气净化器，其特征在于还包括升温装置，当准备从活性氧释放剂/NOx吸收剂释放SOx时，所述升温装置用于将颗粒过滤器的温度升至SOx释放温度，同时使流入颗粒过滤器的排气的空燃比稀薄。
9．如权利要求8所述的排气净化器，其特征在于所述升温装置通过使主燃油喷射滞后或者除主燃油外喷射副燃油而使颗粒过滤器的温度升高。
10．如权利要求5所述的排气净化器，其特征在于所述空燃比控制装置在使SOx从活性氧释放剂/NOx吸收剂释放时交替地使流入颗粒过滤器的排气的空燃比在稀和浓之间交换。
11．如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于当使流入颗粒过滤器的排气的空燃比变浓时使燃烧室中的平均空燃比变浓或将燃油喷入排气通道。
12．如权利要求11所述的排气净化器，其特征在于所述发动机是下述的发动机，当燃烧室中的惰性气体量增加时烟的生成量逐渐增加，并且当燃烧室中的惰性气体量进一步增加时几乎不再生成烟，其中，当燃烧室中的惰性气体量大于烟生成量达到峰值时的惰性气体量及流入颗粒过滤器的排气的空燃比应变浓时，使燃烧室中的平均空燃比变浓。
13．如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于可被氧化除去的颗粒量是颗粒过滤器的温度的函数。
14．如权利要求13所述的排气净化器，其特征在于除颗粒过滤器的温度以外，可被氧化除去的颗粒量是排气中氧浓度和NOx浓度之中的至少一个的函数。
15．如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于还包括控制装置，用于控制排放颗粒量、可被氧化除去的颗粒量和颗粒过滤器的温度中的至少一个，从而当排放颗粒量和颗粒过滤器的温度变得在颗粒和NOx同时处理区域以外时使排放颗粒量和颗粒过滤器的温度变得在颗粒和NOx同时处理区域以内。
16．如权利要求15所述的排气净化器，其特征在于所述控制装置通过控制燃油喷射量和燃油喷射定时中的至少一个来控制颗粒过滤器的温度。
17．如权利要求15所述的排气净化器，其特征在于所述发动机是下述的发动机当排气再循环量增加时，烟的产生量逐渐增加并达到峰值，而当排气再循环量进一步增加时，几乎不再产生烟，其中，控制装置通过控制排气再循环量来控制颗粒过滤器的温度。
18．如权利要求15所述的排气净化器，其特征在于一个烃输送装置布置在颗粒过滤器上游的排气通道中，其中，通过控制从烃输送装置送入排气通道的烃量来控制颗粒过滤器的温度。
19．如权利要求15所述的排气净化器，其特征在于一个排气控制阀布置在颗粒过滤器下游的排气通道中，其中，排气控制阀的开度受到控制以控制颗粒过滤器的温度。
20．如权利要求15所述的排气净化器，其特征在于还包括一个设有废气门阀的排气透平增压器，所述废气门阀用于控制越过排气透平的排气量，其中，废气门阀的开度受到控制以控制颗粒过滤器的温度。
21．如权利要求15所述的排气净化器，其特征在于当排放颗粒量和颗粒过滤器的温度处于颗粒和NOx同时处理区域以外时，所述控制装置在准备控制排放颗粒量时减小排放颗粒量。
22．如权利要求21所述的排气净化器，其特征在于所述控制装置通过控制燃油喷射量、燃油喷射定时、燃油喷射压力和副燃油的喷射中的至少一个以减小排放颗粒量。
23．如权利要求21所述的排气净化器，其特征在于为使排气增压设有增压装置，其中，所述控制装置通过增加增压压力来减小排放颗粒量。
24．如权利要求21所述的排气净化器，其特征在于为了在进气通道中再循环排气设有排气再循环装置，其中，所述控制装置通过降低排气再循环率来减小排放颗粒量。
25．如权利要求15所述的排气净化器，其特征在于所述控制装置控制排气中的氧浓度以便控制可被氧化除去的颗粒量。
26．如权利要求25所述的排气净化器，其特征在于为了在进气通道中再循环排气设有排气再循环装置，其中，所述控制装置控制排气再循环率以控制排气中的氧浓度。
27．如权利要求25所述的排气净化器，其特征在于为了在颗粒过滤器上游的排气通道内输入二次空气设有二次空气输送装置，其中，所述控制装置在颗粒过滤器上游的排气通道内输入二次空气以控制排气中的氧浓度。
28．如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于所述发动机是下述的发动机当燃烧室内的惰性气体量增加时烟的产生量逐渐增加并达到峰值，而当燃烧室内的惰性气体量进一步增加时，几乎不再产生烟，其中，选择地进行第一燃烧和第二燃烧，在所述第一燃烧中，燃烧室内的惰性气体量大于烟产生量达到峰值时的惰性气体量，在所述第二燃烧中，燃烧室内的惰性气体量小于烟产生量达到峰值时的惰性气体量。
29．如权利要求28所述的排气净化器，其特征在于为了通过发动机进气通道再循环从燃烧室排放的排气设有排气再循环装置，惰性气体是由排气再循环气体构成的，在进行第一燃烧时的排气再循环率为至少大约55％，在进行第二燃烧时的排气再循环率不大于大约50％。
30．如权利要求28所述的排气净化器，其特征在于发动机的工作区域分成低负载侧的第一工作区域和高负载侧的第二工作区域，所述第一燃烧是在第一工作区域中进行的，所述第二燃烧是在第二工作区域中进行的。
31．如权利要求1所述的排气净化器，其特征在于还设有流向变换装置，能够在第一方向和与第一方向相反的第二方向之间交替地交换流过颗粒过滤器的排气的流向。
32．如权利要求31所述的排气净化器，其特征在于所述流向变换装置以预定的定时在第一方向和第二方向之间交替地变换流过颗粒过滤器的排气的流向。
33．如权利要求31所述的排气净化器，其特征在于所述流向变换装置由设置在排气通道内的变换阀装置构成，颗粒过滤器在其两端设有排气流出端和排气流入端；一条延伸至颗粒过滤器的排气流出端和排气流入端中的一个的第一通道、一条从颗粒过滤器延伸至排气流出端和流入端中另一个的第二通道和一条与外界空气连通的排气旁路从所述变换阀装置分支；所述变换阀装置可以在流过第一通道、颗粒过滤器和第二通道朝向排气旁路的第一方向、流过第二通道、颗粒过滤器和第一通道朝向排气旁路的第二方向和不流过颗粒过滤器而直接朝向排气旁路的第三方向之间变换排气的流向。
34．如权利要求33所述的排气净化器，其特征在于所述变换阀装置将排气的流向变换至流过颗粒过滤器的第一方向或第二方向和排气不流过颗粒过滤器的第三方向中的一个方向，因而使颗粒过滤器的温度变为使NOx吸收率变得不大于一定值的一个温度范围。
35．如权利要求34所述的排气净化器，其特征在于当颗粒过滤器的温度处于使NOx吸收率变得大于一定值的温度范围以外时，所述变换阀装置将排气流向变换至第三方向。
36．如权利要求33所述的排气净化器，其特征在于第一通道和第二通道被形成，从而使得从第二通道流至颗粒过滤器的排气的温度变得低于从第一通道流至颗粒过滤器的排气的温度，其中，所述变换阀装置将排气的流向变换至第一方向或第二方向之一，从而使颗粒过滤器的温度变成使NOx吸收率变得不大于一定值的温度范围。
37．如权利要求33所述的排气净化器，其特征在于所述变换阀装置在停止燃油输送时，在颗粒过滤器的温度可能变得低于使NOx吸收率变得大于一定值的温度范围时将排气的流向变换至第三方向，并且在停止燃油输送时，在颗粒过滤器的温度高于使NOx吸收率变得大于一定值时将排气的流向变换至第一方向或第二方向。
38．如权利要求31所述的排气净化器，其特征在于在颗粒过滤器内载有具有下述功能的活性氧释放剂/NOx吸收剂当周围存在过量氧时吸收和容纳氧，且在周围的氧浓度下降时以活性氧的形式释放所容纳的氧的活性氧释放剂功能，以及在流入颗粒过滤器的排气的空燃比稀薄时吸收排气中的NOx，且在流入颗粒过滤器的排气的空燃比变为理论空燃比或浓稠时释放所吸收的NOx的NOx吸收剂的功能，其中，借助流向变换装置将排气的流向变换至第一方向或第二方向，从而移动落入颗粒过滤器内的颗粒。
全文摘要
发动机包括一个颗粒过滤器,该颗粒过滤器设置在排气通道内,并具有NO
文档编号F01N3/08GK1318687SQ0111700
公开日2001年10月24日 申请日期2001年4月18日 优先权日2000年4月18日
发明者广田信也, 田中俊明, 伊藤和浩, 中谷好一郎, 木坟光壱, 浅沼孝充 申请人:丰田自动车株式会社