(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタが排気ガスを通すことができる隔壁を備え、該隔壁の内部には微粒子を酸化するための酸化物質が担持されており、該隔壁の内部において排気ガス中の微粒子を酸化除去することができる排気ガス浄化装置において、上記隔壁内部における微粒子と酸化物質との接触機会が増大するように上記隔壁内部に保持された微粒子を該隔壁内部の壁面から剥離して該隔壁内部で流動化させるための微粒子流動化手段を具備する排気ガス浄化装置。
【請求項２】
上記酸化物質が活性酸素を放出する機能を有する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
上記酸化物質が周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで保持しかつ微粒子が隔壁の壁面に付着すると活性な酸素を放出する機能を有する請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
上記酸化物質は周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する機能を有する請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
上記酸化物質がアルカリ金属またはアルカリ土類金属または希土類または遷移金属または炭素族元素からなる請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項６】
上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる請求項５に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項７】
排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させる請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項８】
上記酸化物質は貴金属触媒である請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項９】
上記微粒子流動化手段は隔壁内部を流れる排気ガスの流特性を変えることにより微粒子を流動化させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１０】
上記微粒子流動化手段は排気ガスを脈動させた上で上記隔壁内に流入させることにより微粒子を流動化させる請求項９に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１１】
上記微粒子流動化手段は排気ガス中に圧力が異なる部分を形成することにより排気ガスを脈動させる請求項１０に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１２】
上記微粒子流動化手段は機関排気通路内に燃料と空気とを供給し、これら燃料と空気とを反応させることにより排気ガス中に圧力が異なる部分を形成する請求項１１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１３】
パティキュレートフィルタを複数個具備し、これらパティキュレートフィルタが並列に配置され、上記微粒子流動化手段はこれらパティキュレートフィルタのうち一部のパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を少なくし、残りのパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を多くすることにより排気ガスを脈動させる請求項１０に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１４】
上記微粒子流動化手段は内燃機関の作動パラメータを変更することにより排気ガスを脈動させる請求項１０に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１５】
上記微粒子流動化手段は機関駆動用の燃料を噴射した後に追加の燃料を噴射し、該追加の燃料を燃焼させるように内燃機関の作動パラメータを変更する請求項１４に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１６】
上記微粒子流動化手段は排気弁の開弁時期が早まるように内燃機関の作動パラメータを変更する請求項１４に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１７】
上記微粒子流動化手段は隔壁内部を流れる排気ガスの流れの方向を逆転させることにより微粒子を流動化させる請求項９に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１８】
上記微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタの排気ガスが流入する側と流出する側とを変えることなく隔壁内部を流れる排気ガスの流れの方向を逆転させる請求項１７に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１９】
上記微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタの排気ガスが流入する側と流出する側とを逆転させることにより隔壁内部を流れる排気ガスの流れの方向を逆転させる請求項１７に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２０】
上記微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタを振動させることにより微粒子を流動化させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２１】
上記微粒子流動化手段は超音波振動子によりパティキュレートフィルタを振動させる請求項２０に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２２】
上記微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタを振動可能に保持する請求項２１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２３】
上記微粒子流動化手段は内燃機関を振動させることによりパティキュレートフィルタを振動させる請求項２１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２４】
上記微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積することが予想されたときに微粒子を流動化させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２５】
上記微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積していることが検出されたときに隔壁内部に堆積している微粒子を剥離して流動化させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２６】
上記微粒子流動化手段は予め定められる間隔でもって微粒子を流動化させる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２７】
上記隔壁が多孔質材料からなる請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２８】
排気ガスが流入する側における上記隔壁の細孔の平均径を排気ガスが流出する側における上記隔壁の細孔の平均径よりも大きくした請求項２７に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２９】
複数の隔壁が互いに平行をなして配置され、パティキュレートフィルタ内に互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路を形成し、隣接する排気流通路の一方は上流端が栓により閉塞されると共に隣接する排気流通路の他方は下流端が栓により閉塞される請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３０】
上記パティキュレートフィルタとして単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられ、かつ上記排出微粒子量が一時的に上記酸化除去可能微粒子量より多くなったとしてもパティキュレートフィルタ上において微粒子が一定限度以下しか堆積しないときには上記排出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量よりも少なくなったときにパティキュレートフィルタ上の微粒子が輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、上記酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温度に依存しており、上記排出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量よりも通常少なくなり、かつ上記排出微粒子量が一時的に上記酸化除去可能微粒子量より多くなったとしてもその後、上記排出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量より少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ上に堆積しないように上記排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を維持するための制御手段を具備し、それによって排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく酸化除去せしめるようにした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は６００℃程度以上の高温にならないと着火燃焼せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、６００℃よりもかなり低い。したがって排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼させるのは困難である。このためパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積してしまい、パティキュレートフィルタにおいて単位時間当たりに処理することができる微粒子の量が少なくなってしまう。
【０００４】
そこで本発明の目的はパティキュレートフィルタを具備する排気ガス浄化装置においてパティキュレートフィルタが微粒子を単位時間当たりに処理することができる能力を高く維持することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１番目の発明では上記目的を達成するために、機関排気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタが排気ガスを通すことができる隔壁を備え、該隔壁の内部には微粒子を酸化するための酸化物質が担持されており、該隔壁の内部において排気ガス中の微粒子を酸化除去することができる排気ガス浄化装置において、上記隔壁内部における微粒子と酸化物質との接触機会が増大するように上記隔壁内部に保持された微粒子を該隔壁内部の壁面から剥離して該隔壁内部で流動化させるための微粒子流動化手段を具備する。
【０００６】
２番目の発明では１番目の発明において、酸化物質が活性酸素を放出する機能を有する。
【０００７】
３番目の発明では２番目の発明において、酸化物質が周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで保持しかつ微粒子が隔壁の壁面に付着すると活性な酸素を放出する機能を有する。
【０００８】
４番目の発明では２番目の発明において、酸化物質は周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する機能を有する。
【０００９】
５番目の発明では４番目の発明において、酸化物質がアルカリ金属またはアルカリ土類金属または希土類または遷移金属または炭素族元素からなる。
【００１０】
６番目の発明では５番目の発明において、アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる。
【００１１】
７番目の発明では４番目の発明において、排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させる。
【００１２】
８番目の発明では１番目の発明において、酸化物質は貴金属触媒である。
【００１３】
９番目の発明では１番目の発明において、微粒子流動化手段は隔壁内部を流れる排気ガスの流特性を変えることにより微粒子を流動化させる。
【００１４】
１０番目の発明では３番目の発明において、微粒子流動化手段は排気ガスを脈動させた上で隔壁内に流入させることにより微粒子を流動化させる。
【００１５】
１１番目の発明では１０番目の発明において、微粒子流動化手段は排気ガス中に圧力が異なる部分を形成することにより排気ガスを脈動させる。
【００１６】
１２番目の発明では１１番目の発明において、微粒子流動化手段は機関排気通路内に燃料と空気とを供給し、これら燃料と空気とを反応させることにより排気ガス中に圧力が異なる部分を形成する。
【００１７】
１３番目の発明では１０番目の発明において、パティキュレートフィルタを複数個具備し、これらパティキュレートフィルタが並列に配置され、微粒子流動化手段はこれらパティキュレートフィルタのうち一部のパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を少なくし、残りのパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの量を多くすることにより排気ガスを脈動させる。
【００１８】
１４番目の発明では１０番目の発明において、微粒子流動化手段は内燃機関の作動パラメータを変更することにより排気ガスを脈動させる。
【００１９】
１５番目の発明では１４番目の発明において、微粒子流動化手段は機関駆動用の燃料を噴射した後に追加の燃料を噴射し、該追加の燃料を燃焼させるように内燃機関の作動パラメータを変更する。
【００２０】
１６番目の発明では１４番目の発明において、微粒子流動化手段は排気弁の開弁時期が早まるように内燃機関の作動パラメータを変更する。
【００２１】
１７番目の発明では９番目の発明において、微粒子流動化手段は隔壁内部を流れる排気ガスの流れの方向を逆転させることにより微粒子を流動化させる。
【００２２】
１８番目の発明では１７番目の発明において、微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタの排気ガスが流入する側と流出する側とを変えることなく隔壁内部を流れる排気ガスの流れの方向を逆転させる。
【００２３】
１９番目の発明では１７番目の発明において、微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタの排気ガスが流入する側と流出する側とを逆転させることにより隔壁内部を流れる排気ガスの流れの方向を逆転させる。
【００２４】
２０番目の発明では１番目の発明において、微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタを振動させることにより微粒子を流動化させる。
【００２５】
２１番目の発明では２０番目の発明において、微粒子流動化手段は超音波振動子によりパティキュレートフィルタを振動させる。
【００２６】
２２番目の発明では２１番目の発明において、微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタを振動可能に保持する。
【００２７】
２３番目の発明では２１番目の発明において、微粒子流動化手段は内燃機関を振動させることによりパティキュレートフィルタを振動させる。
【００２８】
２４番目の発明では１番目の発明において、微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積することが予想されたときに微粒子を流動化させる。
【００２９】
２５番目の発明では１番目の発明において、微粒子流動化手段はパティキュレートフィルタ上に微粒子が堆積していることが検出されたときに隔壁内部に堆積している微粒子を剥離して流動化させる。
【００３０】
２６番目の発明では１番目の発明において、微粒子流動化手段は予め定められる間隔でもって微粒子を流動化させる。
【００３１】
２７番目の発明では１番目の発明において、隔壁が多孔質材料からなる。
【００３２】
２８番目の発明では２７番目の発明において、排気ガスが流入する側における隔壁の細孔の平均径を排気ガスが流出する側における隔壁の細孔の平均径よりも大きくする。
【００３３】
２９番目の発明では１番目の発明において、複数の隔壁が互いに平行をなして配置され、パティキュレートフィルタ内に互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路を形成し、隣接する排気流通路の一方は上流端が栓により閉塞されると共に隣接する排気流通路の他方は下流端が栓により閉塞される。
【００３４】
３０番目の発明では１番目の発明において、パティキュレートフィルタとして単位時間当りに燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレートフィルタ上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられ、かつ排出微粒子量が一時的に酸化除去可能微粒子量より多くなったとしてもパティキュレートフィルタ上において微粒子が一定限度以下しか堆積しないときには排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なくなったときにパティキュレートフィルタ上の微粒子が輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温度に依存しており、排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも通常少なくなり、かつ排出微粒子量が一時的に酸化除去可能微粒子量より多くなったとしてもその後、排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量より少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ上に堆積しないように排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を維持するための制御手段を具備し、それによって排気ガス中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において輝炎を発することなく酸化除去せしめる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図示した実施例を参照して本発明を説明する。図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお本発明は火花点火式内燃機関にも適用可能である。
【００３６】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。コンプレッサ１５の上流側の吸気管１３ｂには吸入される空気の質量流量を検出するための質量流量計１３ａが取り付けられる。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、さらに吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示した実施例では冷却装置１８内に機関冷却水が導びかれ、この機関冷却水により吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口はパティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【００３７】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。またＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。図１に示した実施例では冷却装置２６内に機関冷却水が導びかれ、この機関冷却水によりＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取り付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００３８】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１により互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。またパティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取り付けられ、この温度センサ３９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また質量流量計１３ａの出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、および燃料ポンプ２８に接続される。
【００３９】
図２Ａおよび図２Ｂにパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお図２Ａはパティキュレートフィルタ２２の正面図であり、図２Ｂはパティキュレートフィルタ２２の側面断面図である。図２Ａおよび図２Ｂに示したようにパティキュレートフィルタ２２はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気ガス流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気ガス流出通路５１とにより構成される。
【００４０】
なお図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓５３を示している。したがって排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。言い換えると排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は各排気ガス流入通路５０が四つの排気ガス流出通路５１により包囲され、各排気ガス流出通路５１が四つの排気ガス流入通路５０により包囲されるように配置される。
【００４１】
パティキュレートフィルタ２２は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、したがって排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図２Ｂにおいて矢印で示したように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００４２】
本発明の実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、すなわち各隔壁５４の両側表面上、栓５３の外端面および栓５２，５３の内端面上には全面に亘って例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒と、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤とが担持されている。
【００４３】
さらに本発明の実施例では各隔壁５４の細孔の壁面上にも全面に亘って例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒と、上述した活性酸素放出剤とが担持されている。
【００４４】
本発明の実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、鉄Ｆｅのような遷移金属、およびスズＳｎのような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００４５】
なお活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
【００４６】
次にパティキュレートフィルタ２２による排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【００４７】
図１に示したような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、したがって排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。すなわち吸気通路および燃焼室５内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると図１に示したような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また燃焼室５内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また燃料中には硫黄成分Ｓが含まれており、この硫黄成分Ｓは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ2となる。したがって排気ガス中にはＳＯ2が含まれている。したがって過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ2を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００４８】
図３Ａおよび図３Ｂは排気ガス流入通路５０の内周面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお図３Ａおよび図３Ｂにおいて６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００４９】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図３Ａに示したようにこれら酸素Ｏ2がＯ2-またはＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ2-またはＯ2-と反応し、ＮＯ2となる（２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2）。次いで生成されたＮＯ2の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図３Ａに示したように硝酸イオンＮＯ3-の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ3を生成する。
【００５０】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ2も含まれており、このＳＯ2もＮＯと同様なメカニズムにより活性酸素放出剤６１内に吸収される。すなわち上述したように酸素Ｏ2がＯ2-またはＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ2は白金Ｐｔの表面でＯ2-またはＯ2-と反応してＳＯ3となる。次いで生成されたＳＯ3の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ42-の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ2ＳＯ4を生成する。このようにして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ3および硫酸カリウムＫ2ＳＯ4が生成される。
【００５１】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子が生成され、したがって排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているとき、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図３Ｂにおいて６２で示したように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００５２】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ3がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、その一方でＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００５３】
またこのとき活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ2ＳＯ4もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ2とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、その一方でＳＯ2が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ2は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。ただし硫酸カリウムＫ2ＳＯ4は安定化しているので硝酸カリウムＫＮＯ3に比べて活性酸素を放出しづらい。
【００５４】
また活性酸素放出剤６１は上述したようにＮＯxを硝酸イオンＮＯ3-の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。同様に活性酸素放出剤６１は上述したようにＳＯ2を硝酸イオンＳＯ42-の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。
【００５５】
ところで微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ3や硫酸カリウムＫ2ＳＯ4のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。したがって微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。
【００５６】
同様に活性酸素放出剤６１におけるＮＯxと酸素との反応過程、或いはＳＯ2と酸素との反応過程にて生成される酸素も活性酸素となっている。
【００５７】
これら活性酸素Ｏが微粒子６２に接触すると微粒子６２は短時間（数秒〜数十分）のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子６２は完全に消滅する。したがって微粒子６２がパティキュレートフィルタ２２上に堆積することはほとんどない。すなわち活性酸素放出剤６１は微粒子を酸化するための酸化物質である。
【００５８】
従来のようにパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２２が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、したがってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００５９】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。すなわち言い換えると本発明では従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子６２が酸化除去せしめられている。したがって本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００６０】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するのでパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００６１】
図５の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示している。なお図５において横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃焼室５から排出される微粒子の量を排出微粒子量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、すなわち図５の領域Ｉにあるときには燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２に接触すると短時間（数秒〜数十分）のうちにパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００６２】
これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、すなわち図５の領域ＩＩにあるときには全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図４Ａ〜図４Ｃはこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
【００６３】
すなわち全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図４Ａに示したように微粒子６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果、図４Ｂに示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われるようになる。
【００６４】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。また担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ、ＳＯ2の酸化作用および活性酸素放出材６１による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図４Ｃに示されるように残留微粒子部分６３上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。すなわち微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層上に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出材６１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、したがってこの微粒子６４上にさらに別の微粒子が次から次へと堆積する。すなわち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２２上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００６５】
このように図５の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図５の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する。したがって微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時、酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくしておく必要がある。
【００６６】
図５から判るように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２２ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、したがって図１に示した圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少なくなるように維持することが可能である。
【００６７】
そこで本発明の第１の実施例においては排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少なくなるように維持するようにしている。排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少なければパティキュレートフィルタ２２上に微粒子がほとんど堆積せず、斯くして背圧がほとんど上昇しない。したがって機関出力はほとんど低下しない。
【００６８】
一方、前述したように一旦、微粒子がパティキュレートフィルタ２２上において積層状に堆積するとたとえ排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなったとしても活性酸素Ｏにより微粒子を酸化させることは困難である。しかしながら酸化されなかった微粒子部分が残留し始めているときに、すなわち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排気微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Ｏにより輝炎を発することなく酸化除去される。
【００６９】
そこで本発明の第２の実施例では排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなり、かつ排出微粒子量Ｍが一時的に酸化除去可能微粒子量Ｇより多くなったとしても図４Ｂに示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われないように、すなわち排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ２２上に積層しないように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを維持するようにしている。
【００７０】
特に機関始動直後はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは低く、したがってこのときには排出微粒子量Ｍのほうが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。したがって実際の運転を考えると第２の実施例のほうが現実に合っていると考えられる。
【００７１】
一方、第１の実施例または第２の実施例を実行しうるように排出微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを制御していたとしてもパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合には排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させることができる。
【００７２】
すなわち排気ガスの空燃比がリーンである状態が一定期間に亘って継続すると白金Ｐｔ上に酸素が多量に付着し、このために白金Ｐｔの触媒作用が低下してしまう。ところが排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させると白金Ｐｔから酸素が除去され、斯くして白金Ｐｔの触媒作用が回復する。これにより排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出されやすくなる。斯くして一気に放出された活性酸素Ｏにより堆積している微粒子が酸化されやすい状態に変質せしめられると共に微粒子が活性酸素により輝炎を発することなく酸化除去される。斯くして排気ガスの空燃比をリッチとすると全体として酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。なお、この場合、パティキュレートフィルタ２２上において微粒子が積層状に堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチにしてもよいし、微粒子が積層状に堆積しているか否かに係わらず周期的に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよい。
【００７３】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては例えば機関負荷が比較的低いときにＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））が６５パーセント以上となるようにスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５の開度を制御し、このとき燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるように噴射量を制御する方法を用いることができる。
【００７４】
以上説明した内燃機関の運転制御ルーチンの一例を図６に示した。
【００７５】
図６を参照するとまず初めにステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきか否かが判別される。燃焼室５内の平均空燃比をリッチにする必要がないときには排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにステップ１０１においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０２においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、ステップ１０３において燃料噴射量が制御される。
【００７６】
一方、ステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきであると判別されたときにはＥＧＲ率が６５パーセント以上になるようにステップ１０４においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０５においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、燃焼室５内の平均空燃比がリッチとなるようにステップ１０６において燃料噴射量が制御される。
【００７７】
ところで上述したようにパティキュレートフィルタ２２の排気流通路５０，５１を分割する隔壁５４は多孔質材料から形成されており、この隔壁５４の細孔内の壁面にも白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１が担持されている。排気ガスはこの隔壁５４の細孔を通って流れ、排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１へとこのように排気ガスが細孔内を通過する間に微粒子は酸化除去される。ところが微粒子が細孔内に堆積し、細孔が目詰りを起こすことがある。そして堆積する微粒子の量が多くなると隔壁５４の細孔が閉塞されてしまう。こうなるとこれ以後、微粒子を酸化除去することができなくなる。そこで本発明では後述する幾つかの方法により隔壁５４の細孔内に堆積している微粒子を強制的に隔壁内部にて流動させて酸化除去するようにする。
【００７８】
酸化除去されずに隔壁５４の細孔の壁面上、或いは細孔の壁面上に残留した残留微粒子上に付着している微粒子をこのように隔壁５４の細孔内にて流動させればこの微粒子が細孔の他の壁面上にある活性酸素放出剤と接触する機会が増え、酸化除去性能が格段に向上する。またこのように隔壁の細孔内にて微粒子を流動させ、細孔の他の壁面を利用して微粒子を酸化除去するようにすれば隔壁の細孔内の壁面全体を均等に使用することができ、したがってパティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量を高く維持することができる。
【００７９】
次に隔壁の細孔内にて微粒子を流動させる具体的な方法について説明する。本発明では微粒子を流動させる具体的な方法としては大まかに三つある。すなわち排気ガスを脈動した上で隔壁の細孔内に流入させる排気脈動方法と、隔壁の細孔内に流入する排気ガスの流れの方向を逆転させる排気流逆転方法と、パティキュレートフィルタ自体を物理的に振動させる物理振動方法とである。以下、これら方法を順に説明する。
【００８０】
一つ目の排気脈動方法によれば隔壁５４の細孔内に堆積している微粒子が排気ガスの脈動により振動せしめられる。この振動により微粒子は隔壁５４の細孔の壁面から強制的に剥離せしめられ、細孔内を流動する。なおこのように排気ガスを脈動させるためには排気ガス中に圧力の異なる部分を部分的に形成すればよい。本発明では図１に示したように排気タービン２１と触媒コンバータ２３との間の排気通路２０ａに排気脈動発生装置３９ａを配置し、この排気脈動発生装置３９ａから排気ガスの圧力よりも高い圧力のガスを極めて短い周期でもって排気ガス中に導入する。斯くして排気ガスを脈動させることができる。
【００８１】
またこれとは別の方法として排気脈動発生装置３９ａにより排気ガスを極めて短い周期でもって吸引する方法を採用しても排気ガスを脈動させることができる。さらに別の方法として排気脈動発生装置３９ａ内に排気ガスを吸引し、そしてこの吸引した排気ガスを排気脈動発生装置３９ａから放出すること、すなわち排気ガスの吸放出を極めて短い周期でもって繰り返す方法を採用しても排気ガスを脈動させることができる。
【００８２】
さらに別の方法として図７に示したように排気タービン２１上流側の排気通路２０とその下流側の排気通路２０ａとをバイパス通路２０ｂにより接続し、このバイパス通路２０ｂにバイパス制御弁２０ｃを配置し、バイパス制御弁２０ｃを開弁すれば排気ガスがバイパス通路２０ｂを介して排気タービン２１をバイパスすることができるように内燃機関を構成すれば、バイパス制御弁２０ｃの開弁と閉弁とを繰り返す方法を採用しても排気ガスを脈動させることができる。なおこの場合においてバイパス制御弁２０ｃは対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。
【００８３】
さらに別の方法として内燃機関が複数の燃焼室５を具備する場合には一部の燃焼室５にのみ燃料噴射弁６から燃料を噴射し、これにより各燃焼室５から排出される排気ガスの圧力に差を生じさせる方法を採用しても排気ガスを脈動させることができる。
【００８４】
さらに別の方法として内燃機関を駆動するために燃料噴射弁６から燃焼室５内に燃料を噴射した後に膨張行程後半または排気行程において燃料噴射弁６から燃焼室５内に燃料を噴射する方法を採用しても排気ガスを大きく脈動させることができる。この方法によれば膨張行程後半または排気行程において燃焼室５内に噴射された燃料は燃焼室５内にて燃焼するもののその出力は内燃機関の駆動には消費されず、斯くして燃焼室５から排気ポートに排出されるときの排気ガスの圧力が通常機関運転時に比べて大きくなり、斯くして排気ガスが大きく脈動せしめられる。このことを図示すれば図８Ａおよび図８Ｂに示したようになる。
【００８５】
すなわち図８Ａに示したように通常機関運転時には内燃機関を駆動するための燃料噴射（以下、主噴射）が参照符号Ｉｍで示したように圧縮行程後半に実行される。このとき燃焼室５内の圧力（以下、筒内圧）は曲線Ｃ1で示したように変化する。すなわち筒内圧は圧縮上死点ＴＤＣに近づくにつれて徐々に大きくなり、圧縮上死点ＴＤＣを越えると徐々に小さくなる。このように筒内圧が徐々に小さくなっている間に排気弁９が開弁せしめられ、斯くして排気ポート１０に排出される排気ガスの圧力（以下、排気圧）は曲線Ｃ2に示したように変化する。このとき排気ガスは最大圧力Ｐmax1でもって排気ポート１０に排出される。
【００８６】
一方、図８Ｂに示したように排気ガスを大きく脈動させるべき機関運転時には主噴射Ｉｍが実行された後に参照符号Ｉｐで示したように膨張行程後半または排気行程において燃料噴射（以下、副噴射）が実行される。このとき筒内圧は曲線Ｃ3で示したように変化する。すなわち筒内圧は圧縮上死点ＴＤＣに近づくにつれて徐々に大きくなり、圧縮上死点ＴＤＣを越えると徐々に小さくなるが、通常機関運転時とは異なり、副噴射Ｉｐが実行された直後に一時的に筒内圧は一定を維持し、その後、再び徐々に小さくなる。そして排気弁９は筒内圧が一定を維持している間に開弁せしめられる。このため排気ガスは通常機関運転時の最大排気圧Ｐmax1より大きな最大圧力Ｐmax2でもって排気ポート１０に排出される。斯くして排気ガスが大きく脈動せしめられる。
【００８７】
なお内燃機関が複数の燃焼室５を有する場合には上述した副噴射を全ての燃焼室５において実行するようにしても、或いは一部の燃焼室５においてのみ実行するようにしてもよい。いずれの形態を採用するかは所望の排気脈動特性、或いは所望の大きさの排気脈動を得るために副噴射により噴射すべき燃料の量、或いは副噴射により噴射された燃料が燃焼室５の内壁面に付着してしまうか否か、或いは堆積している微粒子の量等に基づいて決定すればよい。
【００８８】
また排気行程後半において副噴射を実行するようにした場合には副噴射により噴射された燃料は燃焼室５内にて燃焼せずに、排気ポート１０に排出される可能性もある。しかしながらこの場合においては排気ポート１０に排出された未燃の燃料がパティキュレートフィルタ２２に流入する前に燃焼せしめられるように手段を講ずれば排気ガスを脈動させるという観点では十分その目的を達成することができる。
【００８９】
さらに別の方法として排気弁９の開弁時期を通常の開弁時期よりも早める方法を採用しても排気ガスを大きく脈動させることができる。この方法によれば筒内圧は圧縮上死点後では早い時期ほど高く、したがって排気弁９を早い時期に開弁するほど排気ポート１０に排出される排気ガスの圧力は大きく、斯くして排気ガスは大きく脈動せしめられる。このことを図示すれば図９Ａおよび図９Ｂに示したようになる。
【００９０】
すなわち図９Ａに示したように通常機関運転時には時期ｔnoにおいて排気弁９が開弁せしめられ、時期ｔncにおいて閉弁せしめられる。このように排気弁９が開閉せしめられると排気ガスが最大圧力Ｐmax3でもって排気ポート１０に排出される。一方、図９Ｂに示したように排気ガスを大きく脈動させるべき機関運転時には排気弁９は上記時期ｔnoより早い時期ｔsoにおいて開弁せしめられ、上記時期ｔncより早い時期ｔscにおいて閉弁せしめられる。このように排気弁９が開弁せしめられると排気ガスが上記最大圧力Ｐmax3より大きな最大圧力Ｐmax4でもって排気ポート１０に排出される。斯くして排気ガスが大きく脈動せしめられる。
【００９１】
なお内燃機関が複数の燃焼室５を有する場合には排気弁９の開弁時期を全ての燃焼室５において早めるようにしても、或いは一部の燃焼室５においてのみ早めるようにしてもよい。いずれの形態を採用するかは所望の排気脈動特性、或いは堆積している微粒子の量等に基づいて決定すればよい。
【００９２】
さらに別の方法として図１０に示したように排気タービン２１上流に空気を噴射するための空気噴射弁３９ｂを取り付け、この空気噴射弁３９ｂから空気を排気ガス中に導入する方法を採用しても排気ガスを大きく脈動させることができる。これによれば排気ガス中の可燃性の未燃燃料と空気噴射弁３９ｂから噴射された空気とが高温の排気ガスの影響で燃焼し、斯くして排気ガスの圧力が増大せしめられる。なお空気噴射弁３９ｂは対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。
【００９３】
またこの方法は上述した副噴射を実行する方法や排気弁の開弁時期を早める方法に比べると排気ガスの圧力を増大させる間隔を比較的自由に選択することができるという利点がある。また排気ガス中に含まれる未燃燃料が比較的少ない場合には膨張行程後半または排気行程において副噴射を実行してもよい。
【００９４】
またこの方法を機関減速時に用いる場合には次のような制御を実行する。すなわち機関減速時に排気ガスを大きく脈動させるべきであるときには内燃機関を駆動することのない時期に燃焼室５に燃料を噴射し、これと共に空気噴射弁３９ｂから空気を噴射する。これによれば内燃機関を駆動することのない時期に噴射された燃料は燃焼室５から排出され、空気噴射弁３９ｂから噴射された空気と反応し、排気ガスの圧力を高める。斯くして排気ガスが大きく脈動せしめられる。
【００９５】
また敢えて機関減速時に排気ガスを大きく脈動させれば堆積微粒子をパティキュレートフィルタ２２内で流動させるためには効果的である。なぜならば機関減速時においては内燃機関を駆動するための燃料は噴射されないので排気ガスの圧力は本来的に低く、これに敢えて排気ガスに圧力の高い部分を形成すればパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの変動幅が非常に大きくなるからである。
【００９６】
さらに別の方法として図１１に示したように空気噴射弁３９ｂを排気タービン２１とパティキュレートフィルタ２２との間に取り付け、さらに空気噴射弁３９ｂの下流側であってパティキュレートフィルタ２２上流に点火栓３９ｃを取り付け、空気噴射弁３９ｂから空気を排気ガス中に導入し、それと共に点火栓３９ｃを作動し、排気ガス中の未燃の燃料を空気噴射弁３９ｂから噴射された空気と反応させる方法を採用してもよい。これによれば排気ガス中に含まれている未燃燃料が空気噴射弁３９ｂから噴射された空気との反応により燃焼せしめられ、このときに排気ガスの圧力が部分的に増大せしめられ、斯くして排気ガスが脈動せしめられる。なお空気噴射弁３９ｂおよび点火栓３９ｃは対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。
【００９７】
またこの方法は上述した排気タービン２１上流において排気ガス中に空気を導入する方法に比べるとパティキュレートフィルタ２２近傍にて排気圧を増大させることができるので排気ガスをより大きく脈動させることができるという利点がある。またこの方法を用いれば機関減速時であっても内燃機関を駆動することのない時期に燃焼室に燃料を噴射しなくても排気ガスを大きく脈動させることができる。
【００９８】
さらに別の方法として図１２に示したように排気タービン２１とパティキュレートフィルタ２２との間に燃料を噴射するための第二燃料噴射弁６ｂを取り付け、この第二燃料噴射弁６ｂをコモンレール２７に接続し、燃料を排気ガス中に導入する方法を採用しても排気ガスを大きく脈動させることができる。これによれば第二燃料噴射弁６ｂから噴射された燃料が排気ガス中の酸素と反応して燃焼し、このときに排気ガスの圧力が増大せしめられ、斯くして排気ガスが大きく脈動せしめられる。なお第二燃料噴射弁６ｂは対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。
【００９９】
また第二燃料噴射弁６ｂから噴射された燃料が燃焼するのに十分な量の酸素が排気ガス中に含まれていない場合には第二燃料噴射弁６ｂの上流に空気噴射弁を取り付け、これにより排気ガス中に空気を導入すればよい。また排気ガスの温度が第二燃料噴射弁６ｂから噴射された燃料を燃焼させるのに十分に高くない場合には第二燃料噴射弁６ｂの下流に点火栓を取り付け、これにより排気ガス中の燃料を点火すればよい。
【０１００】
以上説明した排気脈動発生装置を利用する方法、排気ガスに排気タービンをバイパスさせる方法、副噴射を利用する方法、排気弁の開弁時期を早める方法、空気噴射弁を利用する方法、点火栓を利用する方法、第二燃料噴射弁を利用する方法をそれぞれの作用およびその利点を考慮し、適宜組み合わせて利用するようにしてもよい。
【０１０１】
以上説明した堆積微粒子酸化除去処理ルーチンの一例を図１３に示す。
【０１０２】
図１３を参照するとまず初めにステップ２００においてパティキュレートフィルタ２２による圧力損失Ｐが予め定められた値ＰＴＨより大きい（Ｐ＞ＰＴＨ）か否かが判別される。ここで圧力損失とはパティキュレートフィルタ２２の上流側における排気ガスの圧力と下流側における排気ガスの圧力との差である。ステップ２００においてＰ＞ＰＴＨであると判別されたときには圧力損失Ｐが比較的大きいのでパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４の細孔内に微粒子が比較的多く堆積していると推定し、これら微粒子を酸化除去する必要があると判断し、排気ガスを脈動させるためにステップ２０１において上述した方法のいずれかによる排気ガス脈動処理を実行する。
【０１０３】
一方、ステップ２００においてＰ≦ＰＴＨであると判別されたときには排気ガス脈動処理を実行する必要はないと判断し、処理が終了される。
【０１０４】
また図１５に示したように複数個のパティキュレートフィルタ２２を並列に配置した構成においては上述した排気脈動発生装置３９ａを用いる方法とは異なる方法によっても排気ガスを脈動させることができる。すなわちこの場合には各パティキュレートフィルタ２２の上流側に遮断弁２２ａをそれぞれ配置し、これら遮断弁２２ａのうち一部の遮断弁２２ａの開弁と閉弁とを極めて短い周期でもって繰り返せば残りの遮断弁２２ａの下流側のパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの量が極めて短い周期でもって多くなったり少なくなったりする。斯くして排気ガスを脈動させることができる。
【０１０５】
なおこの場合、一部のパティキュレートフィルタ２２には通常よりも多量の排気ガスが流入する。したがって排気ガスの流速が速すぎて活性酸素放出剤６１内にＮＯxを吸収することができなかったり、活性酸素放出剤６１の表面上に微粒子を捕捉することができなかったりする可能性がある。このことを防止するために排気ガス中に微粒子やＮＯx等の成分が含まれていない機関減速時にのみ一部の遮断弁２２ａの開弁と閉弁とを繰り返すようにすることが望ましい。すなわち排気ガスを脈動すべきときであって機関減速時にのみ一部の遮断弁２２ａの開弁と閉弁とを繰り返すようにする。
【０１０６】
以上説明した図１５に示した構成における堆積微粒子流動処理ルーチンの一例を図１６に示す。
【０１０７】
図１６を参照するとまず初めにステップ３００においてパティキュレートフィルタ２２による圧力損失Ｐが予め定められた値ＰＴＨより大きい（Ｐ＞ＰＴＨ）か否かが判別される。ステップ３００においてＰ＞ＰＴＨであると判別されたときにはステップ３０１に進んで機関減速時であるか否かが判別される。ステップ３０１において機関減速時であると判別されたときには排気ガス脈動処理を実行してもよい状況であると判断し、排気ガスを脈動させるためにステップ３０２において排気ガス脈動処理を実行する。一方、ステップ３００においてＰ≦ＰＴＨであると判別されたときには堆積微粒子を酸化除去する必要はないと判断し、処理が終了される。またステップ３０１において機関減速時ではないと判別されたときには排気ガス脈動処理を実行すべきではないと判断し、処理が終了される。
【０１０８】
さて二つ目の排気流逆転方法によれば隔壁５４の細孔内に堆積している微粒子に流れの方向が異なる排気ガスが衝突する。この排気ガスの衝突により微粒子は隔壁５４の細孔の壁面から強制的に剥離せしめられ、細孔内を流動する。なおこのように排気ガスの流れの方向を逆転させる具体的な方法としては種々考えられるが例として以下の二つの方法を説明する。
【０１０９】
一つ目の方法では排気ガスがパティキュレートフィルタ２２に流入する側を変えることなく排気ガスの流れ方向を逆転させる。この一つ目の方法を実施するには図１７Ａおよび図１７Ｂに示したようにパティキュレートフィルタ２２を構成すればよい。すなわち図１７Ａおよび図１７Ｂを参照すると排気流通路の端部は栓５２，５３ではなく図１７Ａに示したようなプレート７０を用いて閉塞される。プレート７０には複数の開口７１が形成されており、このプレート７０を図１７Ｂに示したようにパティキュレートフィルタ２２の両端を塞ぐように配置する。ここでプレート７０はパティキュレートフィルタ２２の両端に接しているのみで固着はされていない。
【０１１０】
すなわちパティキュレートフィルタ２２はプレート７０から独立して移動することができるようになっている。一方のプレート７０の開口７１に整列する排気流通路は排気ガス流入通路５０を構成し、他方のプレート７０の開口７１に整列する排気流通路５０は排気ガス流出通路５１を構成する。各プレート７０は排気ガス流入通路５０と排気ガス流出通路５１とは交互に配置されるように、言い換えると排気ガス流入通路５０が四つの排気ガス流出通路５１により包囲され、排気ガス流出通路５１が四つの排気ガス流入通路５０により包囲されるようにパティキュレートフィルタ２２の両端に配置される。
【０１１１】
さらにパティキュレートフィルタ２２の外壁面上にギア７２を取り付け、このギア７２をギア７３と噛合させる。ギア７３はモータ７４に接続されており、このモータ７４によりギア７３を回転することができる。
【０１１２】
このような構成において隔壁５４の細孔内の微粒子を流動させる必要があると判断したときにはモータ７４を駆動し、パティキュレートフィルタ２２をプレート７０に対して相対的に素早く例えば９０°回転する。このようにパティキュレートフィルタ２２を回転するとその回転の間に通常は排気ガス流出通路である通路に排気ガスが流入する。したがって排気ガスは極めて短い時間だけ隔壁５４内を通常の方向とは逆の方向に流れる。斯くして隔壁５４内において微粒子を流動させることができる。
【０１１３】
さらに二つ目の方法では排気ガスがパティキュレートフィルタ２２に流入する側を逆転させることにより排気ガスの流れの方向を逆転する。この二つ目の方法を実施するにはパティキュレートフィルタ２２を例えば図１８〜図２０に示した構成とすればよい。図１８および図１９を参照すると排気通路２０ａは排気流切換え管８０に接続されている。排気流切換え管８０は三つの開口を有し、これら開口はそれぞれ第一の排気管８１ａと、第二の排気管８１ｂと、排気管８２とに接続される。第一の排気管８１ａはパティキュレートフィルタ２２の一方の端部に接続され、第二の排気管８１ｂはパティキュレートフィルタ２２の他方の端部に接続される。以下、説明の便宜のために第一の排気管８１ａが接続されるパティキュレートフィルタ２２の端部を第一の端部と称し、第二の排気管８１ｂが接続されるパティキュレートフィルタ２２の端部を第二の端部と称する。
【０１１４】
排気流切換え管８０内には切換弁８０ａが配置される。排気流切換え管８０は切換弁８０ａの回動位置を調節することにより排気ガスをパティキュレートフィルタ２２の異なる二つの端部、すなわち第一の端部または第二の端部のいずれか一方からパティキュレートフィルタ２２に流入させることができる。
【０１１５】
すなわち切換弁８０ａが図１８に示した第一の回動位置に位置決めせしめられたときには排気ガスは図１８の矢印で示したように排気流切換え管８０から第一の排気管８１ａを介してパティキュレートフィルタ２２の第一の端部からパティキュレートフィルタ２２に流入する。そして排気ガスはパティキュレートフィルタ２２の第二の端部から流出し、第二の排気管８１ｂを介して排気流切換え管８０に流入する。そして最終的には排気ガスは排気流切換え管８０から排気管８２に排出される。
【０１１６】
一方、切換弁８０ｂが図２０に示した第二の回動位置に位置決めせしめられたときには排気ガスは図２０の矢印で示したように排気流切換え管８０から第二の排気管８１ｂを介してパティキュレートフィルタ２２の第二の端部からパティキュレートフィルタ２２に流入する。そして排気ガスはパティキュレートフィルタ２２の第一の端部から流出し、第一の排気管８１ａを介して排気流切換え管８０に流入する。そして最終的には排気ガスは排気流切換え管８０から排気管８２に排出される。
【０１１７】
このように切換弁８０ａの回動位置を変えることにより排気ガスがパティキュレートフィルタ２２に流入する側を逆転させることができる。この切換弁８０ａの回動位置の変更を例えば予め定められた時間間隔毎に行えばパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４内を通る排気ガスの向きを定期的に変えることができる。したがって隔壁５４の細孔の壁面に堆積している微粒子を細孔内で流動させることができる。斯くして隔壁５４内における微粒子の酸化除去を促進することができる。
【０１１８】
さて三つ目の物理振動方法によればパティキュレートフィルタ２２を物理的に振動させ、これにより堆積微粒子が隔壁５４の細孔の壁面から剥離させる。これにより微粒子が隔壁５４の細孔内で流動することとなる。なおこのようにパティキュレートフィルタ２２を物理的に振動させる方法としては種々考えられるが例として以下の方法を挙げることができる。
【０１１９】
すなわち図２１に示したように触媒コンバータ２３の外周壁面上に振動発生装置２３ａを取り付け、この振動発生装置２３ａにより触媒コンバータ２３を振動させ、斯くしてパティキュレートフィルタ２２を振動させる。振動発生装置２３ａとしては超音波振動子やモータ駆動式のバイブレータ等を利用して振動を発生する装置を採用することができる。なお振動発生装置２３ａは対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。
【０１２０】
なお上述した微粒子を流動化させるための方法に加えて例えば内燃機関が複数の燃焼室５を有する場合には一部の燃焼室５でのみ機関駆動用の燃料を噴射して燃焼させ、機関燃焼バランスを敢えてくずし、これにより内燃機関自体を振動させ、斯くして触媒コンバータ２３を振動させるようにしてもよい。
【０１２１】
また図２２に示したように振動発生装置２３ａを利用すると共に可撓性を有するパイプ２０ｂにより触媒コンバータ２３をその両端で保持するようにしてもよい。これによれば触媒コンバータ２３が振動しやすくなり、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が振動しやすくなる。
【０１２２】
また以上説明したように隔壁の細孔内にて微粒子を流動させる処理（以下、微粒子流動処理）を実行する時期としては上述したように隔壁の細孔内に堆積している微粒子の量が予め定められた量以上となったとき以外の時期を採用してもよい。例えば隔壁上に微粒子が堆積していることが検出されたときに微粒子流動処理を実行してもよい。また隔壁の細孔内に微粒子が堆積すると予想されたときに微粒子流動処理を実行してもよい。ここで隔壁の細孔内に微粒子が堆積すると予想されるのは例えば排気ガスの温度が比較的低いとき、排出微粒子量が多いとき、機関加速時、機関始動時等である。これらの場合には隔壁の細孔内に堆積している微粒子の量に係わらず微粒子流動処理が実行される。この場合、仮に隔壁の細孔内に堆積している微粒子が全くないとしてもパティキュレートフィルタ２２における通常の微粒子酸化除去作用を阻害することはなく、むしろ隔壁の細孔内に流入した微粒子が細孔の壁面全体に亘って分散せしめられる可能性が高くなるので微粒子の酸化除去作用を高めることになる。
【０１２３】
また微粒子流動処理を実行する時期として或る条件を満たした定期的な時期を採用することもできる。すなわち微粒子流動処理を予め定められる間隔毎に実行するようにしてもよい。この定期的な時期としては例えば所定時間が経過したとき、或いは走行距離が所定走行距離に達したとき、或いは機関運転停止時がある。もちろん微粒子流動処理を常に実行するようにしてもよい。
【０１２４】
ところで排気ガスが流入する上流側においてパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４の細孔が微粒子により閉塞されてしまうと下流側の細孔内へと微粒子が流入することができなくなる。この場合、下流側の細孔の壁面を微粒子を酸化除去するために用いることができないのでパティキュレートフィルタ２２の酸化除去可能微粒子量Ｇが全体的に低下することとなる。このことを回避するために本発明では図１４に示したようにパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４の細孔５４ａの径を排気ガスが流出する下流側に比べて排気ガスが流入する上流側のほうを大きくしている。こうすれば隔壁５４の細孔５４ａがその上流側において先に閉塞されてしまってその下流側の細孔の壁面を微粒子の酸化除去のために使用できないということを回避することができる。すなわちこれによれば隔壁５４の壁面全てを微粒子の酸化除去のために有効に利用することができる。
【０１２５】
また上述した排気脈動方法を実施する場合において隔壁５４の細孔内に堆積した微粒子量が非常に多く、細孔が完全に閉塞されてしまったときには脈動せしめられた排気ガスの最高圧力よりも高い圧力の排気ガスをパティキュレートフィルタ２２に流入させるようにする。こうして隔壁５４の細孔を塞いでいる微粒子を隔壁５４内で強制的に流動させれば微粒子を酸化除去することができる。
【０１２６】
もちろん上述した排気流逆転方法を実施する場合には排気ガスの流れ方向を逆転させれば隔壁５４の細孔内に堆積した微粒子量が非常に多くても隔壁５４の細孔を塞いでいる微粒子を隔壁５４内で強制的に流動させることができる。
【０１２７】
ところで燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、したがって排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ3が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ4を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ4は固体であって高温になっても熱分解しない。したがって硫酸カルシウムＣａＳＯ4が生成されるとこの硫酸カルシウムＣａＳＯ4によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されてしまい、その結果、排気ガスがパティキュレートフィルタ２２内を流れづらくなる。
【０１２８】
この場合、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ3はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ2ＳＯ4を形成し、カルシウムＣａはＳＯ3と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。したがってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。したがって前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【０１２９】
また本発明はパティキュレートフィルタ２２の両側面上に形成された担体の層上に白金Ｐｔのような貴金属のみを担持した場合にも適用することができる。ただしこの場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図５に示す実線に比べて若干、右側に移動する。この場合には白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ2またはＳＯ3から活性酸素が放出される。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】図１は内燃機関の全体図である。
【図２Ａ】図２Ａはパティキュレートフィルタを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂはパティキュレートフィルタを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図４Ａ】図４Ａは微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図５】図５は酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図６】図６は内燃機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図７】図７は排気脈動方法を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは別の排気脈動方法を説明するための図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは別の排気脈動方法を説明するための図である。
【図９Ａ】図９Ａは別の排気脈動方法を説明するための図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは別の排気脈動方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は別の排気脈動方法を実行することができるように構成された内燃機関の全体図である。
【図１１】図１１は別の排気脈動方法を実行することができるように構成された内燃機関の全体図である。
【図１２】図１２は別の排気脈動方法を実行することができるように構成された内燃機関の全体図である。
【図１３】図１３は堆積微粒子を酸化除去するためのフローチャートである。
【図１４】図１４はパティキュレートフィルタの隔壁の断面図である。
【図１５】図１５は複数個のパティキュレートフィルタを並列に並べた場合を示す図である。
【図１６】図１６は堆積微粒子を酸化除去するためのフローチャートである。
【図１７Ａ】図１７Ａはパティキュレートフィルタを示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂはパティキュレートフィルタを示す図である。
【図１８】図１８は別のタイプのパティキュレートフィルタを示す平面図である。
【図１９】図１９は別のタイプのパティキュレートフィルタを示す側面図である。
【図２０】図２０は別のタイプのパティキュレートフィルタの一部を示す平面図である。
【図２１】図２１はパティキュレートフィルタを物理的に振動することができるように構成された内燃機関の全体図である。
【図２２】図２２はパティキュレートフィルタを物理的に振動することができるように構成された別の実施例の内燃機関の全体図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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