(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気系に配置されてパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は第一捕集面と第二捕集面とを有し、前記逆転手段によって前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることによりパティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用され、前記パティキュレートフィルタの常に下流側となる位置において触媒装置が前記パティキュレートフィルタに近接して配置され、前記パティキュレートフィルタから前記触媒装置へ十分な熱伝導がなされることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記触媒装置は、前記触媒装置を通過した排気ガスが前記パティキュレートフィルタの回りを通過するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記捕集壁には活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記触媒装置は酸化触媒を担持していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記触媒装置はＮＯＸ触媒を担持していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることで前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が前記第一位置と前記第二位置との間の中間位置とされる時に排気ガスが前記パティキュレートフィルタを通過せずに前記触媒装置へ流入するようになっていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記弁体を中間位置とした時には、前記触媒装置は、前記弁体の直下流に位置するようになっていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
機関始動直後は前記弁体を前記中間位置とすることを特徴とする請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記触媒装置の温度を検出又は推定する温度把握手段を具備し、前記温度把握手段によって検出又は推定された前記温度が設定温度領域から外れる時には前記弁体を前記中間位置として前記温度が前記設定温度領域内となるように排気ガス状態を変化させることを特徴とする請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
機関排気系には排気絞り弁が配置され、前記排気絞り弁を開弁する直前には前記弁体は前記中間位置とされていることを特徴とする請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
機関減速時には前記弁体を前記中間位置とすると共に少なくとも排気ガス温度を上昇させるか排気ガス中の還元物質を増量することを特徴とする請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの排気ガス中には煤を主成分とするパティキュレートが含まれている。パティキュレートは有害物質であるために、大気放出以前にパティキュレートを捕集するためのフィルタを機関排気系に配置することが提案されている。このようなフィルタは、目詰まりによる排気抵抗の増加を防止するために、捕集したパティキュレートを焼失させることが必要である。
【０００３】
このようなフィルタ再生において、パティキュレートは約６００°Ｃとなれば着火燃焼するが、ディーゼルエンジンの排気ガス温度は、通常時において６００°Ｃよりかなり低く、通常はフィルタ自身を加熱する等の手段が必要である。
【０００４】
特公平７−１０６２９０号公報には、白金族金属とアルカリ土金属酸化物とをフィルタに担持させれば、フィルタ上のパティキュレートは、ディーゼルエンジンの通常時の排気ガス温度である約４００°Ｃで連続的に焼失することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このフィルタを使用しても、常に排気ガス温度が４００°Ｃ程度となっているとは限らず、また、運転状態によってはディーゼルエンジンから多量のパティキュレートが放出されることもあり、各時間で焼失できなかったパティキュレートがフィルタ上に徐々に堆積することがある。
【０００６】
このフィルタにおいて、ある程度パティキュレートが堆積すると、パティキュレート焼失能力が極端に低下するために、もはや自身でフィルタを再生することはできない。このように、この種のフィルタを単に機関排気系に配置しただけでは、比較的早期に目詰まりが発生して機関出力の大幅低下がもたらされることがある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、パティキュレートフィルタが早期に目詰まりすることを防止すると共に、パティキュレート以外の排気ガスに含まれる有害物質の大気放出量を良好に低減することを可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されてパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、前記パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、前記パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は第一捕集面と第二捕集面とを有し、前記逆転手段によって前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることによりパティキュレートを捕集するために前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使用され、前記パティキュレートフィルタの常に下流側となる位置において触媒装置が前記パティキュレートフィルタに近接して配置され、前記パティキュレートフィルタから前記触媒装置へ十分な熱伝導がなされることを特徴とする。
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置は、前記触媒装置を通過した排気ガスが前記パティキュレートフィルタの回りを通過するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記捕集壁には活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置は酸化触媒を担持していることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置はＮＯＸ触媒を担持していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記逆転手段は、弁体を具備し、前記弁体を一方の位置から他方の位置へ切り換えることで前記パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させ、前記弁体が前記第一位置と前記第二位置との間の中間位置とされる時に排気ガスが前記パティキュレートフィルタを通過せずに前記触媒装置へ流入するようになっていることを特徴とする。
また、本発明による請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記弁体を中間位置とした時には、前記触媒装置は、前記弁体の直下流に位置するようになっていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置において、機関始動直後は前記弁体を前記中間位置とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置の温度を検出又は推定する温度把握手段を具備し、前記温度把握手段によって検出又は推定された前記温度が設定温度領域から外れる時には前記弁体を前記中間位置として前記温度が前記設定温度領域内となるように排気ガス状態を変化させることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置において、機関排気系には排気絞り弁が配置され、前記排気絞り弁を開弁する直前には前記弁体は前記中間位置とされていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置において、機関減速時には前記弁体を前記中間位置とすると共に少なくとも排気ガス温度を上昇させるか排気ガス中の還元物質を増量することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による排気浄化装置を備える４ストロークディーゼルエンジンの概略縦断面図を示しており、図２は図１のディーゼルエンジンにおける燃焼室の拡大縦断面図であり、図３は図１のディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図である。図１から図３を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５ａはピストン４の頂面上に形成されたキャビティ、５はキャビティ５ａ内に形成された燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は一対の吸気弁、８は吸気ポート、９は一対の排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７へ接続される。
【００１９】
図１に示されるように排気マニホルド１７内には空燃比センサ２１が配置される。排気マニホルド１７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２回りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２０】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結される。このコモンレール２６内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６にはコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御される。
【００２１】
３０は電子制御ユニットであり、空燃比センサ２１の出力信号と、燃料圧センサ２８の出力信号とが入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、電子制御ユニット３０には、負荷センサ４１の出力信号も入力され、さらに、クランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２の出力信号も入力される。こうして、電子制御ユニット３０は、各種信号に基づき、燃料噴射弁６、電気モータ１５、ＥＧＲ制御弁２３、及び、燃料ポンプ２７を作動する。
【００２２】
図２及び図３に示されるように本発明による実施例では燃料噴射弁６が６個のノズル口を有するホールノズルからなり、燃料噴射弁６のノズル口からは水平面に対しやや下向きに等角度間隔でもって燃料Ｆが噴射される。図３に示されるように６個の燃料噴霧Ｆのうちで２個の燃料噴霧Ｆは各排気弁９の弁体の下側面に沿って飛散する。図２及び図３は圧縮行程末期に燃料噴射が行われた時を示している。この時には燃料噴霧Ｆはキャビティ５ａの内周面に向けて進み、次いで着火燃焼せしめられる。
【００２３】
図４は排気行程中において排気弁９のリフト量が最大の時に燃料噴射弁６から追加の燃料が噴射された場合を示している。即ち、図５に示されるように圧縮上死点付近において主噴射Ｑｍが行われ、次いで排気行程の中ほどで追加の燃料Ｑａが噴射された場合を示している。この場合、排気弁９の弁体方向に進む燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面と排気ポート１０との間に向かう。即ち、云い換えると燃料噴射弁６の６個のノズル口のうちで２個のノズル口は、排気弁９が開弁している時に追加の燃料Ｑａの噴射が行われると燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面と排気ポート１０との間に向かうように形成されている。なお、図４に示す実施例ではこの時に燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面に衝突し、排気弁９の傘部背面に衝突した燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面上において反射し、排気ポート１０内に向かう。
【００２４】
なお通常は追加の燃料Ｑａは噴射されず、主噴射Ｑｍのみが行われる。図６は機関低負荷運転時においてスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ率を変化させることにより空燃比Ａ／Ｆ（図６の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、及びスモーク、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排出量の変化を示す実験例を表している。図６からわかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００２５】
図６に示されるようにＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度になった時にスモークの発生量が増大を開始する。次いで、更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくなる。この時に機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、この時にＨＣ及びＣＯの発生量は増大し始める。
【００２６】
図７（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１付近でスモークの発生量が最も多い時の燃焼室５内の燃焼圧変化を示しており、図７（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近でスモークの発生量がほぼ零の時の燃焼室５内における燃焼圧の変化を示している。図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零である図７（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図７（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
【００２７】
図６及び図７に示される実験結果から次のことが言える。即ち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零の時には図６に示されるようにＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下していることを意味しており、従って煤がほとんど発生しない時には燃焼室５内の燃焼温度が低くなっていると言える。同じことが図７からも言える。即ち、煤がほとんど発生していない図７（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が低くなっており、従ってこの時に燃焼室５内の燃焼温度は低くなっていることになる。
【００２８】
第２にスモークの発生量、即ち煤の発生量がほぼ零になると図６に示されるようにＨＣ及びＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含まれる図８に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないがいずれにしても図８に示されるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零になると図６に示される如くＨＣ及びＣＯの排出量が増大するがこの時のＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素である。
【００２９】
図６及び図７に示される実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低い時には煤の発生量がほぼ零になり、この時には煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出されることになる。このことについて更に詳細に実験研究を重ねた結果、燃焼室５内における燃料及びその周囲のガス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室５内における燃料及びその周囲の温度が或る温度以下になると煤が生成されることが判明したのである。
【００３０】
ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止する時の燃料及びその周囲の温度、即ち上述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないが、この或る温度はＮＯｘの発生量と深い関係を有しており、従ってこの或る温度はＮＯｘの発生量から或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増大するほど燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度は低下し、ＮＯｘの発生量が低下する。この時においてＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下になった時に煤がほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下になった時の温度にほぼ一致する。
【００３１】
一旦、煤が生成されるとこの煤は単に酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化することはできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でもって容易に浄化することができる。このように、ＮＯｘの発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はその前の状態で燃焼室５から排出させることは排気ガスの浄化に極めて有効である。
【００３２】
さて、煤が生成される前の状態で炭化水素の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料及びその周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃料回りにおけるガスの吸熱作用が極めて大きく影響することが判明している。
【００３３】
即ち、燃料回りに空気しか存在しないと蒸発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼する。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど上昇せず、燃料回りの温度のみが局所的に極めて高くなる。即ち、この時には燃料から離れている空気は燃料の燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
【００３４】
一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は回りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制するには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【００３５】
この場合、燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ２やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００３６】
図９は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示している。即ち、図９において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０°Ｃに維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００３７】
図９の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。一方、図９の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
【００３８】
また、図９の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。なお、図９は機関負荷が比較的高い時のスモークの発生量を示しており、機関負荷が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に応じて変化する。
【００３９】
図１０は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合において燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及びこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を示している。なお、図１０において縦軸は燃焼室５内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。
【００４０】
図１０を参照すると空気の割合、即ち混合ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。即ち、図１０に示される場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっている。一方、図１０においてＥＧＲガスの割合、即ち混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料及びその周囲のガス温度を煤が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表わすとほぼ５５パーセント以上であり、図１０に示す実施例では７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入された全吸入ガス量を図１０において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図１０に示すような割合にすると燃料及びその周囲のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯｘ発生量は１０ｐ．ｐ．ｍ前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯｘの発生量は極めて少量となる。
【００４１】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従って図１０に示されるようにＥＧＲガス量は噴射燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【００４２】
一方、図１０の負荷領域Ｚ２では煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供給するにはＥＧＲガス及び吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従ってこの場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００４３】
前述したように図１０は燃料を理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが図１０に示される低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下にすることができ、また図１０に示される低負荷領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯｘの発生量を１０ｐ．ｐ．ｍ前後又はそれ以下にすることができる。
【００４４】
即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成されることがない。また、このときＮＯｘも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比の時でも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯｘも極めて少量しか発生しない。
【００４５】
このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと煤が発生されず、ＮＯｘの発生量が極めて少量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００４６】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。従って本発明による実施例では機関負荷が比較的低い時には燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第一燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関負荷が比較的高いときには第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第一燃焼、即ち低温燃焼とはこれまでの説明から明らかなように煤の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【００４７】
図１１は第一燃焼、即ち低温燃焼が行われる第１の運転領域Ｉと、第二燃焼、即ち従来の燃焼方法による燃焼が行われる第２の燃焼領域ＩＩとを示している。なお、図１１において縦軸Ｌはアクセルペダル４０の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。また、図１１においてＸ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域ＩＩとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域ＩＩから第１の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２の境界Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。
【００４８】
即ち、機関の運転状態が第１の運転領域Ｉにあって低温燃焼が行われている時に要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第２の運転領域ＩＩに移ったと判断され、従来の燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数である第２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１の運転領域Ｉに移ったと判断され、再び低温燃焼が行われる。
【００４９】
図１２は空燃比センサ２１の出力を示している。図１２に示されるように空燃比センサ２１の出力電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができる。次に図１３を参照しつつ第１の運転領域Ｉ及び第２の運転領域ＩＩにおける運転制御について概略的に説明する。
【００５０】
図１３は要求負荷Ｌに対するスロットル弁１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射時期及び噴射量を示している。図１３に示されるように要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉではスロットル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図１３に示される例では第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比とされている。
【００５１】
言い換えると第１の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、この時の空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいてＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００５２】
なお、アイドリング運転時にはスロットル弁１６は全閉近くまで閉弁され、この時にはＥＧＲ制御弁２３も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁１６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるために機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリング運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロットル弁１６が全閉近くまで閉弁せしめられる。
【００５３】
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるとスロットル弁１６の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめられる。この時に図１３に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図９）を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【００５４】
第２の運転領域ＩＩでは従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では煤及びＮＯＸが若干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域ＩＩに変わると図１３に示されるように噴射量がステップ状に低減せしめられる。
【００５５】
第２の運転領域ＩＩではスロットル弁１６は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。この運転領域ＩＩではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域ＩＩでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００５６】
図１４は第１の運転領域Ｉにおける空燃比Ａ／Ｆを示している。図１４において、Ａ／Ｆ＝１５．５、Ａ／Ｆ＝１６、Ａ／Ｆ＝１７、Ａ／Ｆ＝１８で示される各曲線は夫々空燃比が１５．５、１６、１７、１８である時を示しており、各曲線間の空燃比は比例配分により定められる。図１４に示されるように第１の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第１の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。
【００５７】
即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従って図１４に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために本実施例では要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００５８】
なお、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１５（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１５（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００５９】
図１６は第二燃焼、即ち従来の燃焼方法による普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示している。なお、図１６においてＡ／Ｆ＝２４、Ａ／Ｆ＝３５、Ａ／Ｆ＝４５、Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫々目標空燃比２４、３５、４５、６０を示している。空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１７（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１７（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００６０】
こうして、本実施例のディーゼルエンジンでは、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、第一燃焼、すなわち、低温燃焼と、第二燃焼、すなわち、普通の燃焼とが切り換えられ、各燃焼において、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎとに基づき、図１５又は図１７に示すマップによってスロットル弁１６及びＥＧＲ弁の開度制御が実施される。
【００６１】
図１８は排気浄化装置を示す平面図であり、図１９はその側面図である。本排気浄化装置は、中央管部材７１と、中央管部材７１を取り囲むカバー部材７２とを有している。中央管部材７１の上流側端部は排気マニホルド１７の下流側に排気管１８を介して接続され、下流側端部はマフラ等を介して排気ガスを大気中へ放出するための下流排気管７４に接続されている。中央管部材７１は、弁体７１ａが配置された上流部分７１ｂと、上流部分７１ｂの直下流側に位置する中流部分７１ｃと、中流部分７１ｃの直下流側に位置する下流部分７１ｄとから構成されている。
【００６２】
上流部分７１ｂの側面には、対向して第一開口７１ｅと第二開口７１ｆが形成されている。弁体７１ａは、負圧アクチュエータ又はステップモータ等によって回動されて上流部分７１ｂ内を上流側と下流側との間で遮断する二つの遮断位置とすることができる。図１８に示す一方の遮断位置においては、上流側と第一開口７１ｅとが連通されると共に下流側と第二開口７１ｆとが連通される。また、図２０に示す他方の遮断位置においては、上流側と第二開口７１ｆとが連通されると共に下流側と第一開口７１ｅとが連通される。
【００６３】
中流部分７１ｄ内には触媒装置７３が配置されている。触媒装置７３の直下流側には排気ガス温度を測定するための温度センサ７４が配置されている。また、長円形断面を有するパティキュレートフィルタ７０が外側ケース７０ａと共に下流部分７１ｄの側面を貫通して配置されている。
【００６４】
このような構成によって、弁体７１ａが一方の遮断位置とされると、排気ガスは、図１８及び図１９に矢印で示すように、上流部分７１ｂの上流側から第一開口７１ｅを通り、中央管部材７１とカバー部材７２との間の空間へ流出し、パティキュレートフィルタ７０を通過した後に、第二開口７１ｆを通り再び上流部分７１ｂへ流入する。その後、排気ガスは、中流部分７１ｃ内に配置された触媒装置７３を通過し、下流部分７１ｄ内をパティキュレートフィルタ７０の外側ケース７０ａの回りを通り下流排気管７４へ向けて流れる。
【００６５】
一方、弁体７１ａが他方の遮断位置とされると、排気ガスは、図２０に示すように、上流部分７１ｂの上流側から第二開口７１ｆを通り、中央管部材７１とカバー部材７２との間の空間へ流出し、パティキュレートフィルタ７０を一方の遮断位置とは逆方向に通過した後に、第一開口７１ｅを通り再び上流部分７１ｂへ流入する。その後は、一方の遮断位置と同様に、排気ガスは、中流部分７１ｃ内に配置された触媒装置７３を通過し、下流部分７１ｄ内をパティキュレートフィルタ７０の外側ケース７０ａの回りを通り下流排気管７４へ向けて流れる。
【００６６】
また、図２１に示すように、弁体７１ａは、一方の遮断位置と他方の遮断位置との間の中間位置とすることも可能である。この中間位置においては、中央管部材７１の上流部分７１ｂは解放されるために、排気ガスは、図２１に矢印で示すように、カバー部材７２と中央管部材７１との間の空間へ流出することなく、すなわち、パティキュレートフィルタ７０を通過することなく、直接的に中流部分７１ｃ内の触媒装置７３へ流入する。
【００６７】
このように、本排気浄化装置は、非常に簡単な構成によって、弁体７１ａを二つの遮断位置の一方から他方へ切り換えることによりパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転することが可能となると共に、弁体７１ａを中間位置とすれば、排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることが可能となる。
【００６８】
また、パティキュレートフィルタにおいては、排気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積が必要とされるが、本排気浄化装置では、車両搭載性を悪化させることなく、図１８に示すように大きな開口面積を有するパティキュレートフィルタを使用可能である。本排気浄化装置において、図１８に示すように、排気管１８内には排気絞り弁７５が配置されている。
【００６９】
図２２にパティキュレートフィルタ７０の構造を示す。なお、図２２において、（Ａ）はパティキュレートフィルタ７０の正面図であり、（Ｂ）は側面断面図である。これらの図に示すように、本パティキュレートフィルタ７０は、長円正面形状を有し、例えば、コージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム構造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線方向に延在する隔壁５４によって細分された多数の軸線方向空間を有している。隣接する二つの軸線方向空間において、栓５３によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路５０となり、他方は流出通路５１となり、排気ガスは、図２２（Ｂ）に矢印で示すように、必ず隔壁５４を通過する。排気ガス中のパティキュレートは、隔壁５４の細孔の大きさに比較して非常に小さいものであるが、隔壁５４の排気上流側表面及び隔壁５４内の細孔表面上に衝突して捕集される。こうして、各隔壁５４は、パティキュレートを捕集する捕集壁として機能する。本パティキュレートフィルタ７０において、捕集されたパティキュレートを酸化除去するために、隔壁５４の両側表面上、及び、好ましくは隔壁５４内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。
【００７０】
活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。
【００７１】
貴金属触媒としては、通常、白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、および遷移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００７２】
なお、この場合、活性酸素放出剤としては、カルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
【００７３】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタによって、捕集されたパティキュレートがどのように酸化除去されるかについて、白金ＰｔおよびカリウムＫの場合を例にとって説明する。他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様なパティキュレート除去作用が行われる。
【００７４】
ディーゼルエンジンでは通常空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、吸気通路および燃焼室内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると、この空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室内で酸素と反応してＳＯ２となる。従って排気ガス中にはＳＯ２が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯ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７０の排気上流側へ流入することになる。
【００７５】
図２３（Ａ）および（Ｂ）はパティキュレートフィルタ７０における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図２３（Ａ）および（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００７６】
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の排ガス接触面内に接触すると、図２３（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２がＯ２−又は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−又は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２３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ３を生成する。このようにして、本実施例では、排気ガスに含まれるＮＯｘをパティキュレートフィルタ７０に吸収し、大気中への放出量を大幅に減少させることができる。
【００７７】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ２も含まれており、このＳＯ２もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ２がＯ２−又は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−又は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上で更に酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオン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。
【００７８】
排気ガス中のパティキュレートは、図２３（Ｂ）において６２で示されるように、パティキュレートフィルタに担持された活性酸素放出剤６１の表面上に付着する。この時、パティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ３がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏがパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００７９】
一方、このとき活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ２ＳＯ４もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ２とに分解され、酸素Ｏがパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ２が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ２は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。但し、硫酸カリウムＫ２ＳＯ４は、安定化しているために、硝酸カリウムＫＮＯ３に比べて活性酸素を放出し難い。
【００８０】
一方、パティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ３や硫酸カリウムＫ２ＳＯ４のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従ってパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏがパティキュレート６２に接触するとパティキュレート６２は数分から数十分の短時間で輝炎を発することなく酸化せしめられる。また、パティキュレート６２を酸化する活性酸素Ｏは、活性酸素放出剤６１へＮＯ及びＳＯ２が吸収される時にも放出される。すなわち、ＮＯＸは酸素原子の結合及び分離を繰り返しつつ活性酸素放出剤６１内において硝酸イオンＮＯ３−の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。パティキュレート６２はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、このようにパティキュレートフィルタ７０上に付着したパティキュレート６２は活性酸素Ｏによって酸化せしめられるがこれらパティキュレート６２は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【００８１】
ところで白金Ｐｔ及び活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１から放出される活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易くなる。従って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パティキュレートを酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。
【００８２】
図２４の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示しており、図２４において横軸はパティキュレートフィルタの温度ＴＦを示している。なお、図２４は単位時間を１秒とした場合の、すなわち、１秒当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇを示しているがこの単位時間としては、１分、１０分等任意の時間を採用することができる。例えば、単位時間として１０分を用いた場合には単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇは１０分間当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇを表わすことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ７０上において単位時間当たりに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇは図２４に示されるようにパティキュレートフィルタ７０の温度が高くなるほど増大する。
【００８３】
さて、単位時間当りに燃焼室から排出されるパティキュレートの量を排出微粒子量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、例えば、１秒当たりの排出微粒子量Ｍが１秒当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、或いは１０分当たりの排出微粒子量Ｍが１０分当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、即ち図２４の領域Ｉでは燃焼室から排出された全てのパティキュレートがパティキュレートフィルタ７０上において輝炎を発することなく順次短時間のうちに酸化除去せしめられる。これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、即ち図２４の領域ＩＩでは全てのパティキュレートを順次酸化するには活性酸素量が不足している。図２５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合におけるパティキュレートの酸化の様子を示している。
【００８４】
即ち、全てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足している場合には図２５（Ａ）に示すようにパティキュレート６２が活性酸素放出剤６１上に付着するとパティキュレート６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分がパティキュレートフィルタの排気上流側面上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかったパティキュレート部分が排気上流面上に残留し、その結果図２５（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタの排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われるようになる。
【００８５】
このような残留パティキュレート部分６３は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ２の酸化作用及び活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が抑制される。それにより、時間を掛ければ徐々に残留パティキュレート部分６３を酸化させることができるが、図２５（Ｃ）に示されるように残留パティキュレート部分６３の上に別のパティキュレート６４が次から次へと堆積する。即ち、パティキュレートが積層状に堆積すると、これらパティキュレートは、白金Ｐｔや活性酸素放出剤から距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキュレートであっても活性酸素によって酸化されることはない。従ってこのパティキュレート６４上に更に別のパティキュレートが次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【００８６】
このように図２４の領域Ｉではパティキュレートは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短時間のうちに酸化せしめられ、図２４の領域ＩＩではパティキュレートがパティキュレートフィルタ上に積層状に堆積する。従って、排出微粒子量Ｍと酸化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉにすれば、パティキュレートフィルタ上へのパティキュレートの堆積を防止することができる。その結果、パティキュレートフィルタ７０における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関の出力低下を最小限に維持することができる。しかしながら、これが常に実現されるとは限らず、何もしなければパティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することがある。
【００８７】
本実施例では、前述の電子制御ユニット３０により図２６に示す第一フローチャートに従って弁体７１ａを作動制御することにより、パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止している。本フローチャートは所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ１０１において、弁体７１ａの切り換え時期であるか否かが判断される。切り換え時期は、設定時間又は設定走行距離毎とされている。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０２へ進み、弁体７１ａを現在の遮断位置から他方の遮断位置へ回動させる。
【００８８】
図２７は、パティキュレートフィルタの隔壁５４の拡大断面図である。前述したように、排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面は、一方の捕集面としてパティキュレートを衝突捕集し、活性酸素放出剤により放出された活性酸素によって捕集パティキュレートを酸化除去するが、設定時間又は設定走行距離を走行する間には、図２４の領域ＩＩでの運転が実施されることもあり、図２７（Ａ）に格子で示すように、酸化除去が不十分となってパティキュレートが残留することがある。この程度のパティキュレートの堆積に伴うパティキュレートフィルタの排気抵抗は車両走行に悪影響を与えるほどではないが、さらにパティキュレートが堆積すれば、機関出力の大幅な低下等の問題を発生する。しかしながら、この時点でパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されれば、隔壁５４の一方の捕集面に残留するパティキュレート上には、さらにパティキュレートが堆積することはなく、一方の捕集面から放出される活性酸素によって残留パティキュレートは徐々に酸化除去される。また、隔壁の細孔内に残留するパティキュレートは、逆方向の排気ガス流によって、図２７（Ｂ）に示すように、容易に破壊されて細分化され、下流側へ移動する。
【００８９】
それにより、細分化された多くのパティキュレートは、隔壁の細孔内に分散し、すなわち、パティキュレートは流動することにより、隔壁の細孔内表面に担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除去される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも活性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレートを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔壁５４の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔内の排気ガス流対向面（一方の捕集面とは反対側の関係となる）では、排気ガス中の新たなパティキュレートが付着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素によって酸化除去される。これらの酸化除去の際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残留するパティキュレートを酸化除去する。
【００９０】
すなわち、隔壁における一方の捕集面の残留パティキュレートには、この捕集面から放出される活性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された残りの活性酸素が排気ガスによって到来する。それにより、弁体の切り換え時点において、隔壁の一方の捕集面にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたとしても、排気ガスを逆流させれば、残留パティキュレート上に堆積するパティキュレートへも活性酸素が到来することに加えて、さらにパティキュレートが堆積することはないために、堆積パティキュレートは徐々に酸化除去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、この間で十分に酸化除去可能である。
【００９１】
弁体の切り換えは、設定時間又は設定走行距離毎のように定期的に実施しなくても不定期に実施するようにしても良い。また、機関減速時毎に弁体を切り換えるようにしても良い。機関減速時の判断には、運転者が車両の減速を意図する動作、例えば、アクセルペダルの開放、ブレーキペダルの踏み込み、及びフューエルカット等のいずれかを検出することが利用可能である。
【００９２】
また、パティキュレートフィルタへのパティキュレート堆積量が設定量となった時に弁体を切り換えるようにしても良い。パティキュレート堆積量の推定には、例えば、パティキュレート堆積量の増加に伴って増大するパティキュレートフィルタ７０の直上流側と直下流側との間の差圧を利用することができ、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の電気抵抗値を利用しても良く、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の光の透過率又は反射率を利用しても良い。また、図２４のグラフに基づき、現在の機関運転状態から推定される排出微粒子量Ｍが現在の機関運転状態から推定されるパティキュレートフィルタの温度を考慮した酸化除去可能微粒子量Ｇを上回る時の差（Ｍ−Ｇ）をパティキュレート堆積量として積算するようにしても良い。
【００９３】
また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させると、活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出される。この一気に放出された活性酸素Ｏによって、堆積パティキュレートは酸化され易いものとなって容易に酸化除去される。一方、空燃比がリーンに維持されていると白金Ｐｔの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ｐｔの酸素被毒が生じる。このような酸素被毒が生じるとＮＯＸに対する酸化作用が低下するためにＮＯＸの吸収効率が低下し、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Ｐｔ表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比が再びリッチからリーンに切り換えられるとＮＯＸに対する酸化作用が強まるためにＮＯＸの吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。従って、空燃比がリーンに維持されている時に空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切り換えるとその都度白金Ｐｔの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンである時の活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ７０上におけるパティキュレートの酸化作用を促進することができる。さらに、この酸素被毒の解消は、言わば、還元物質の燃焼であるために、発熱を伴ってパティキュレートフィルタを昇温させる。それにより、パティキュレートフィルタにおける酸化除去可能微粒子量が向上し、さらに、残留及び堆積パティキュレートの酸化除去が容易となる。弁体７１ａによってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換えた直後に排気ガスの空燃比をリッチにすれば、パティキュレートが残留していないパティキュレートフィルタ隔壁における他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性酸素を放出し易いために、さらに多量に放出される活性酸素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートをさらに確実に酸化除去することができる。もちろん、弁体７１ａの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比をリッチにしても良く、それにより、パティキュレートフィルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【００９４】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施すれば良い。また、単に燃焼空燃比をリッチにしても良い。また、圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、機関燃料噴射弁によって排気行程又は膨張行程において気筒内に燃料を噴射（ポスト噴射）しても良く、又は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射（ビゴム噴射）しても良い。もちろん、ポスト噴射又はビゴム噴射は、主燃料噴射との間に必ずしもインターバルを設ける必要はない。また、機関排気系に燃料を供給することも可能である。
【００９５】
ところで、本実施例のパティキュレートフィルタでは、前述したように排気ガス中のＮＯＸを良好に吸収するが、パティキュレートフィルタの構造は、前述したように、捕集壁の細孔を排気ガスが通過するウォールフロー型であり、触媒を担持する隔壁に沿って排気ガスが流れる一般的な触媒装置との比較において、同じ大きさで同量の排気ガスを通過させるためには、捕集壁間の寸法を隔壁間の寸法に比較して大きくしなければならない。それにより、パティキュレートフィルタにおいて排気ガスが捕集壁表面に担持された活性酸素放出剤と接触する機会は、モノリス型の触媒装置において触媒と接触する機会より少ない。また、排気ガスは、捕集壁の細孔を通過する際には、この細孔内に担持された活性酸素放出剤に接触するが、主には、捕集壁の表面に担持された活性酸素放出剤にしか接触しない。しかしながら、多数の細孔によって捕集壁表面の触媒担持面積はそれほど大きくない。こうして、ＮＯＸを吸収する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタに担持させても、排気ガス中のＮＯＸを十分に浄化することはできない。
【００９６】
それにより、本実施例では、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転に係わらずに常にパティキュレートフィルタの下流側となる位置、すなわち、中央管部材７１の中流部分７１ｃ内に、前述した貴金属触媒及び活性酸素放出剤として使用可能な物質をＮＯＸ吸蔵還元触媒として担持する触媒装置７３を配置している。それにより、パティキュレートフィルタにおいて吸収されなかったＮＯＸを良好に吸収して大気中への放出量を十分に低減することが可能となる。もちろん、触媒装置７３に担持するＮＯＸ触媒は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に限定されることなく、例えば、ＮＯＸ選択還元触媒のような他の種類のＮＯＸを浄化する触媒としても良い。
【００９７】
また、前述したように、パティキュレートフィルタへ還元物質を含むリッチ排気ガスを流入させる際に、又は、低温燃焼を実施してＨＣ及びＣＯを比較的多く含む排気ガスがパティキュレートフィルタへ流入する際に、還元物質の全てがパティキュレートフィルタの貴金属触媒で酸化されるか又は活性酸素放出剤から放出されたＮＯＸを還元するのに使用されるとは限らず、パティキュレートフィルタを通過する還元物質を浄化する必要がある。触媒装置７３にＮＯＸ吸蔵還元触媒が担持されていれば、その貴金属触媒及び放出されるＮＯＸの還元浄化によってパティキュレートフィルタを通過する還元物質の浄化が可能となるが、触媒装置７３として、少なくとも貴金属触媒のような酸化触媒を担持していれば、パティキュレートフィルタを通過する還元物質の浄化が可能である。
【００９８】
こうして、パティキュレートフィルタの下流側にＮＯＸ触媒装置又は酸化触媒装置を配置することは、パティキュレートフィルタを通過する有害物質の浄化に有効である。もし、このような触媒装置をパティキュレートフィルタの上流側に配置すると、パティキュレートフィルタへ十分にＮＯＸ及び還元物質が供給されなくなって前述したパティキュレートフィルタでのパティキュレートの酸化除去が不十分となるために、パティキュレートフィルタの下流側に触媒装置を配置することが重要である。しかしながら、パティキュレートフィルタの下流側に触媒装置を単に配置しても、触媒装置が機関本体から離れてしまって排気ガスによる触媒装置の昇温が不十分となり、触媒が十分に活性化せずに有害物質の良好な浄化が難しくなる。
【００９９】
本実施例では、触媒装置７３は、パティキュレートフィルタ７０の常に下流側となる位置においてパティキュレートフィルタに近接して配置されているために、パティキュレートフィルタでの活性酸素によるパティキュレートの酸化除去及び貴金属触媒での還元物質の燃焼によってパティキュレートフィルタが昇温された際に、パティキュレートフィルタ７０から触媒装置７３へ十分な熱伝導がなされる。それにより、触媒装置７３は良好に昇温され、触媒を十分に活性化することができる。
【０１００】
しかしながら、機関始動直後は、パティキュレートフィルタの貴金属触媒も活性化しておらず、活性酸素によるパティキュレートの酸化除去及び還元物質の燃焼が不十分となり、パティキュレートフィルタ自身が早期に昇温されることはない。従って、パティキュレートフィルタからの熱伝導により触媒装置が昇温されるまでには比較的長い時間を要し、この間において、ＨＣ，ＣＯ，及びＮＯＸ等の有害物質の大気中への放出量が増大してしまう。本実施例では、機関始動直後において図２８に示すフローチャートにより触媒装置を早期に暖機するようになっている。
【０１０１】
先ず、ステップ２０１では、機関始動直後であるか否かが判断され、この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ２０２において弁体７１ａは中間位置とされる。それにより、排気ガスは、パティキュレートフィルタ７０をバイパスして直接的に触媒装置７３へ流入するために、余り冷却されることがなく、触媒装置を良好に昇温することが可能となる。また、ステップ２０３において排気ガスの昇温制御を実施するようにしても良い。この昇温制御は、例えば、ポスト噴射によって排気行程で気筒内に燃料を供給することにより、排気行程でも燃焼を持続させ、排気ガスの温度を高めること等が考えられる。
【０１０２】
本実施例では、触媒装置７３を通過した排気ガスは、中央管部材７１の下流部分７１ｄにおいてパティキュレートフィルタ７０の回りを通過するようになっており、パティキュレートフィルタには排気ガスが通過しないがパティキュレートフィルタの昇温も同時に行うことができる。ステップ２０４では、温度センサ７６によって触媒装置７３の直下流側における排気ガス温度が触媒装置の温度として検出され、この温度Ｔが触媒装置７３に担持された触媒の活性化温度Ｔ１に達したか否かが判断される。この判断が肯定されると、触媒装置７３の暖機は完了したとして、ステップ２０５において、排気ガスの昇温制御は停止され、ステップ２０６において弁体７１ａはいずれかの遮断位置とされる。もちろん、触媒装置の温度は、触媒装置の直上流側の排気ガス温度、すなわち、触媒装置へ流入する排気ガス温度を検出して、この排気ガス温度に基づき推定するようにしても良い。また、機関運転状態に基づき触媒装置へ流入する排気ガス温度を推定して、この排気ガス温度から触媒装置の温度を推定するようにしても良い。
【０１０３】
こうして、触媒装置７３の暖機が完了して初めてパティキュレートフィルタへ排気ガスが流入し、パティキュレートの捕集が開始されることとなり、それまでの間においては、パティキュレートは大気中へ放出されることとなる。しかしながら、触媒装置７３の暖機完了までにはそれほど長い時間は必要とされず、それほど問題とはならない。また、触媒装置７３の暖機完了時においては、前述したようにパティキュレートフィルタもある程度昇温されており、酸化除去可能微粒子量が向上している。それにより、捕集開始からパティキュレートの良好な酸化除去が可能である。
【０１０４】
さらに、機関始動直後は、パティキュレートフィルタの温度も低く、パティキュレートを良好に酸化除去することができないために、この時にパティキュレートを捕集させると、パティキュレートは堆積してパティキュレートフィルタの目詰まりが起こり易くなる。それにより、パティキュレートフィルタの目詰まり防止には、機関始動直後はパティキュレートフィルタへ排気ガスを流入させないことが好ましい。また、パティキュレートフィルタを昇温するために排気ガス中に還元物質を含ませてパティキュレートフィルタの貴金属触媒で燃焼させるようにしても、パティキュレートフィルタへ排気ガスを流入させる時点で触媒装置７３は十分に機能するようになっているために、パティキュレートフィルタを通過する一部の還元物質を触媒装置によって良好に浄化することができる。
【０１０５】
前述したＮＯＸ吸蔵還元触媒は、触媒温度が低過ぎても高過ぎても良好にＮＯＸを浄化することができず、ＮＯＸ浄化に最適な温度範囲（約３００℃から約５００℃）を有している。このようなＮＯＸ吸蔵還元触媒が触媒装置に担持されている場合には、触媒装置温度をこの温度範囲内に制御することが必要とされる。しかしながら、パティキュレートフィルタ７０を通過する排気ガスを単に触媒装置へ流入させるだけでは、このような制御が実現されずに触媒装置の浄化性能が悪化することがある。本実施例では、図２９に示す第三フローチャートによって触媒装置の温度を制御するようになっている。
【０１０６】
先ず、ステップ３０１においては、温度センサ７６によって触媒装置７３の直下流側の排気ガス温度Ｔを触媒温度として検出し、この触媒温度Ｔが温度範囲下限値Ｔ１（３００℃）以上であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ３０２において、弁体７１ａを中間位置として排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスして直接的に触媒装置へ流入するようにする。次いでステップ３０３においては触媒装置の昇温制御を実施する。この昇温制御は、前述したいずれかの方法で排気ガスに比較的多くの還元物質が含まれるようにすることである。還元物質は、触媒装置に担持された貴金属触媒によって燃焼させられ、この燃焼熱によって触媒装置を昇温することが可能となる。また、昇温制御は、ポスト噴射等によって排気行程でも燃焼を持続させることにより、触媒装置へ流入する排気ガス温度を高めることでも良い。いずれの昇温制御でも、排気ガスを直接的に触媒装置へ流入させることにより、パティキュレートフィルタにおいて還元物質が消費されたり、排気ガスが冷却されたりしないために、触媒装置の効果的な昇温が可能となる。
【０１０７】
一方、触媒装置の温度Ｔが温度範囲下限値Ｔ１以上となっている時には、ステップ３０１における判断が肯定されてステップ３０４に進み、触媒装置の温度Ｔが温度範囲上限値Ｔ２（５００℃）以下であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ３０５において、弁体７１ａを中間位置として排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスして直接的に触媒装置へ流入するようにする。次いでステップ３０６においては触媒装置の降温制御を実施する。この降温制御は、理論空燃比又はリーン空燃比での低温燃焼を実施することである。低温燃焼によって燃焼温度は低下して排気ガス温度が低くなり、触媒装置を降温することができる。低温燃焼において燃焼空燃比をリッチにすると、排気ガス中に還元物質が多く含まれ、前述の昇温制御となってしまう。また、降温制御は、フューエルカットとして排気ガス温度を下げるようにしても良い。機関加速時では、フューエルカットは難しいが、それ以外の運転状態では瞬間的にフューエルカットを実施してもそれほど問題とはならないために、瞬間的なフューエルカットを繰り返して触媒装置を降温することが可能である。また、機関減速時となるのを待って弁体７１ａを中間位置とすると共にフューエルカットを実施するようにしても良い。いずれの降温制御でも、排気ガスを直接的に触媒装置へ流入させることにより、パティキュレートフィルタにおいてパティキュレートの酸化除去等により排気ガスが加熱されることがないために、触媒装置の効果的な降温が可能となる。
【０１０８】
前述の昇温制御及び降温制御のような温度制御によって、又は、温度制御しなくても、触媒装置の温度が温度範囲内となっていれば、ステップ３０１及び３０４における判断はいずれも肯定され、ステップ３０７において、温度制御が実施されている場合には、これを停止し、また、ステップ３０８において、弁体が中間位置とされているならば、弁体を二つの遮断位置の一方として、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過するようにする。ステップ３０８において、弁体を中間位置から遮断位置とする時には、中間位置とされる以前の遮断位置とは異なる遮断位置とすることが好ましい。それにより、この温度制御に際してパティキュレートフィルタの上流側と下流側とが逆転されることとなり、前述したようにパティキュレートフィルタの目詰まりを発生し難くすることができる。触媒装置７３に担持されている触媒が、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のように良好に機能する温度領域が下限値と上限値とを有する場合には、こうして触媒装置の昇温制御と降温制御とが必要になるが、酸化触媒が担持されている場合には、良好に機能する温度領域は下限値しか有しておらず、ステップ３０４から３０６における触媒装置の降温制御は不要となる。
【０１０９】
ところで、本実施例のように、パティキュレートフィルタの下流側に触媒装置を配置していると、パティキュレートフィルタから剥離した比較的大きなパティキュレートの塊が排気ガスと共に触媒装置へ流入して触媒装置入り口又は触媒装置内に留まり、触媒装置の排気抵抗を増加させることがある。本実施例のように、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されるものでは、何らかの要因によって多量のパティキュレートがパティキュレートフィルタに堆積していると、この逆転時において特にパティキュレートの塊がパティキュレートフィルタから剥離し易い。しかしながら、このパティキュレートの剥離は、一方でパティキュレートフィルタからパティキュレートが除去されることであり、パティキュレートフィルタの目詰まり防止には有効であり、また、多量の堆積パティキュレートが一度に着火燃焼すると、パティキュレートフィルタが非常に高温度となって溶損することがあり、この危険を回避するためにも効果的である。
【０１１０】
しかしながら、剥離したパティキュレートが触媒装置の排気抵抗を増加させることは機関出力を低下させるために好ましくなく、これを防止しなければならない。本実施例では、図３０に示す第四フローチャートによって触媒装置へ剥離パティキュレートが留まることを防止している。先ず、ステップ４０１では、ブレーキスイッチ等を利用してブレーキペダルが踏み込まれたか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、この判断が肯定される時には、ステップ４０２において排気絞り弁７５を閉弁して排気抵抗を増大させることにより、排気ブレーキを発生させる。次いで、ステップ４０３において弁体７１ａを中間位置とする。通常、ブレーキペダルが踏み込まれて機関減速時となると、フューエルカットによって燃焼が行われないために、排気ガスにはパティキュレートが含まれることはなく、弁体７１ａを中間位置として排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスするようにしてもパティキュレートが大気中へ放出されることはない。
【０１１１】
ステップ４０４では、踏み込まれたブレーキペダルが解放されたか否かが判断される。この判断は、肯定されるまで繰り返され、肯定されると、車両減速は必要なくなったとして、ステップ４０５において排気絞り弁４０５を開弁する。この開弁によって、排気絞り弁７５の上流側で高圧とされた排気ガスが一気に排気絞り弁を通過する。この排気ガスは非常に高速であり、中間位置とされた弁体７１ａを介して直接的に触媒装置へ流入するために、触媒装置へ留まるパティキュレートの塊を破壊して又はそのまま触媒装置の下流側へ排出する。こうして、触媒装置からパティキュレートの塊を除去することが可能となる。次いで、ステップ４０６では、弁体７１ａを二つの遮断位置の一方として、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過するようにする。ステップ４０６において、弁体を中間位置から遮断位置とする時には、中間位置とされる以前の遮断位置とは異なる遮断位置とすることが好ましい。それにより、この温度制御に際してパティキュレートフィルタの上流側と下流側とが逆転されることとなり、前述したようにパティキュレートフィルタの目詰まりを発生し難くすることができる。
【０１１２】
本実施例において、排気絞り弁７５を開弁する直前には、弁体７１ａは中間位置とされており、排気絞り弁７５の開弁時に高速の排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスして直接的に触媒装置へ流入するようになっている。これにより、高速の排気ガスを確実に触媒装置へ流入させると共に、高速の排気ガスがパティキュレートフィルタを通過してパティキュレートフィルタからパティキュレートの塊が剥離することを防止している。しなしながら、パティキュレートフィルタへの堆積パティキュレートが多量となっている時には、この高速排気ガスをパティキュレートフィルタからのパティキュレートの剥離に積極的に使用することも可能である。
【０１１３】
本実施例において、排気絞り弁は、触媒装置の上流側に配置したが、これは本発明を限定するものではなく、触媒装置の下流側に配置するようにしても良い。このような配置によっても、排気絞り弁の閉弁によって触媒装置内をゆっくりと流れていた排気ガスは、排気絞り弁の開弁によって触媒装置内を高速で流れることとなり、前述同様に、触媒装置内からパティキュレートの塊を除去することができる。
【０１１４】
前述したように、触媒装置７３にＮＯＸ吸蔵還元触媒が担持されている場合には、触媒装置の温度を温度範囲上限値以下にすることが必要であるが、触媒装置７３がパティキュレートフィルタ７０の下流側に配置されていると、実際的には、触媒装置の温度が温度範囲上限値を越えて高まることは殆どなく、触媒装置の温度を温度範囲下限値以上に維持するために、できる限り触媒装置を昇温することが必要とされる。また、触媒装置７３に酸化触媒が担持されている場合にも、温度範囲上限値を有さないために、できる限り触媒装置を昇温することが必要とされる。
【０１１５】
図３１は、このために実施される第五フローチャートである。先ず、ステップ５０１において、機関減速時であるか否かが判断される。この判断には、ブレーキペダルの踏み込み、又は、アクセルペダルの解放等の検出を利用することができる。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ５０２において、弁体７１ａは中間位置とされ、排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスして直接的に触媒装置へ流入するようにする。次いで、ステップ５０３では、触媒装置の昇温制御が実施される。
【０１１６】
この昇温制御は、第三フローチャートと同様に、排気ガスに比較的多くの還元物質が含まれるようにすることである。還元物質は、触媒装置に担持された貴金属触媒によって燃焼させられ、この燃焼熱によって触媒装置を昇温することが可能となる。また、機関減速時においてもフューエルカットせずに燃焼を持続する場合には、昇温制御として、ポスト噴射等によって排気行程でも燃焼を持続させることにより、触媒装置へ流入する排気ガス温度を高めるようにしても良い。いずれの昇温制御でも、排気ガスを直接的に触媒装置へ流入させることにより、パティキュレートフィルタにおいて還元物質が消費されたり、排気ガスが冷却されたりしないために、触媒装置の効果的な昇温が可能となる。
【０１１７】
ステップ５０４では、機関減速が終了したか否かが判断され、この判断は、肯定されるまで繰り返されて、前述の昇温制御が継続される。ステップ５０４における判断が肯定される時にはステップ５０５において昇温制御を停止し、ステップ５０６において弁体を二つの遮断位置の一方として排気ガスがパティキュレートフィルタを通過するようにする。前述したように、弁体は、中間位置とする以前の遮断位置と異なる遮断位置することが好ましい。
【０１１８】
還元物質による触媒装置の昇温制御においては、一部の還元物質が触媒装置を通過して大気中へ放出される可能性があり、又は、ポスト噴射による昇温制御では燃料消費率が悪化するために、不必要に実施することは好ましくない。それにより、例えば、機関減速時直前に高回転高負荷運転が実施されていて触媒装置の温度が十分に高いことが予測される時には、機関減速時となっても弁体を中間位置とせず、また、昇温制御も実施しないことが好ましい。また、特に還元物質による昇温制御は、触媒装置における貴金属触媒が活性化していないと意味がないために、例えば、機関始動直後は、貴金属触媒が不活性であるとして、機関減速時となっても還元物質による昇温制御は実施しないことが好ましい。もちろん、貴金属触媒が不活性でもポスト噴射によって排気ガス温度を高める昇温制御は実施可能である。
【０１１９】
ところで、排気ガス中のカルシウムＣａはＳＯ３が存在すると、硫酸カルシウムＣａＳＯ４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４は、酸化除去され難く、パティキュレートフィルタ上にアッシュとして残留することとなる。従って、硫酸カルシウムの残留によるパティキュレートフィルタの目詰まりを防止するためには、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いることが好ましく、それにより、活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ３はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ２ＳＯ４を形成し、カルシウムＣａはＳＯ３と結合することなくパティキュレートフィルタの隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィルタがアッシュによって目詰まりすることがなくなる。こうして、前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【０１２０】
また、活性酸素放出剤としてパティキュレートフィルタに白金Ｐｔのような貴金属のみを担持させても、白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ２又はＳＯ３から活性酸素を放出させることができる。ただし、この場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図２４に示す実線に比べて若干右側に移動する。また、活性酸素放出剤としてセリアを用いることも可能である。セリアは、排気ガス中の酸素濃度が高いと酸素を吸収し（Ｃｅ２Ｏ３→２ＣｅＯ２）、排気ガス中の酸素濃度が低下すると活性酸素を放出する（２Ｃｅ２Ｏ２→Ｃｅ２Ｏ３）ものであるために、パティキュレートの酸化除去のために、排気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良い。
【０１２１】
また、活性酸素放出剤として排気ガス中のＮＯｘ浄化に使用されるＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いることも可能である。この場合においては、ＮＯｘ又はＳＯｘを放出させるために排気ガスの空燃比を少なくとも一時的にリッチにする必要がある。
【０１２２】
本実施例において、パティキュレートフィルタ自身が活性酸素放出剤を担持して、この活性酸素放出剤が放出する活性酸素によりパティキュレートが酸化除去されるものとしたが、これは、本発明を限定するものではない。例えば、活性酸素及び活性酸素と同等に機能する二酸化窒素等のパティキュレート酸化成分は、パティキュレートフィルタ又はそれに担持させた物質から放出されても、外部からパティキュレートフィルタへ流入するようにしても良い。パティキュレート酸化成分が外部から流入する場合においても、パティキュレートを捕集するために、捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とを交互に使用することで、排気下流側となった一方の捕集面では、新たにパティキュレートが堆積することはなく、この堆積パティキュレートを、他方の捕集面から流入するパティキュレート酸化成分によって徐々にでも酸化除去して、堆積パティキュレートをある程度の時間で十分に酸化除去することが可能である。この間において、他方の捕集面では、パティキュレートの捕集と共にパティキュレート酸化成分による酸化が行われるために、前述同様な効果がもたらされる。
【０１２３】
本実施例のディーゼルエンジンは、低温燃焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、もちろん、通常燃焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパティキュレートを排出するガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。
【０１２４】
ところで、前述した触媒装置７３は、一般的なモノリス型の担体を有するものとしたが、図３２に示すような断面を有する触媒装置７３１としても良い。図３２に示す触媒装置７３１は、外枠７３１ｅ内に、前述のパティキュレートフィルタ７０と同様に、コージライトのような多孔質材料から形成された多数の軸線方向に延在する隔壁７３１ａを有している。各隔壁７３１ａによって触媒装置７３１内は多数の軸線方向空間７３１ｂに細分されている。
【０１２５】
隣接する二つの軸線方向空間７３１ｂの一方を取り囲む隔壁７３１ａは排気上流側において外側へ向けての先細形状を呈して先細形状部７３１ｃを形成する。また、他方を取り囲む隔壁７３１ａは排気下流側において外側へ向けての先細形状を呈して先細形状部７３１ｃを形成する。各先細形状部７３１ｃは、例えば、軸線方向空間７３１ｂが矩形断面を有する場合には四角錐形状となり、このように、軸線方向空間７３１ｂの断面形状に応じた角錐形状となる。排気上流側の先細形状部７３１ｃによって取り囲まれた軸線方向空間７３１ｂの排気上流側の開口面積は、軸線方向空間７３１ｂの断面積（中央部の断面積）よりかなり大きくなる。
【０１２６】
排気上流側及び排気下流側の先細形状部７３１ｃは、それぞれに対応する軸線方向空間７３１ｂを閉鎖してはおらず、軸線方向空間７３１ｂの断面積より小さな断面積を有する通路７３１ｄを有している。それにより、本触媒装置７３１へ流入する排気ガスは、排気上流側において先細形状部７３１ｃを有する約半数の軸線方向空間７３１ｂへは点線矢印で示すように小さな断面積を有する通路７３１ｄを介して流入することとなるが、排気上流側において先細形状部７３１ｃを有さない約半数の軸線方向空間７３１ｂへは大きな開口を介して流入することとなり、本触媒装置７３１における全体的な排気ガスの流入抵抗は、モノリス型担体の触媒装置と大きな差はない。
【０１２７】
また、大きな開口を介して、対応する軸線方向空間７３１ｂへ流入した排気ガスは、この軸線方向空間７３１ｂが排気下流側において先細形状部７３１ｃを有するために、点線矢印で示すように、その一部は先細形状部７３１ｃの通路７３１ｃを介して流出するが、主には、実線矢印で示すように、この軸線方向空間７３１ｂを取り囲む隔壁７３１ａを通過し、隣接する軸線方向空間７３１ｂから流出する。それにより、本触媒装置７３１における全体的な排気ガスの流出抵抗も、モノリス型担体の触媒装置と大きな差はない。こうして、排気ガスは、モノリス型担体の触媒装置と同様に、容易に本触媒装置７３１を通過する。
【０１２８】
各隔壁７３１ａには、前述の触媒装置７３と同様に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒、ＮＯＸ選択還元触媒、又は酸化触媒が担持されている。それにより、本触媒装置７３１は、前述の触媒装置７３と同様に、排気ガス中のＮＯＸや還元物質等のようなパティキュレートフィルタ７０を通過した有害物質を大気放出以前に良好に浄化することができる。さらに、本触媒装置７３１は、前述したように、各隔壁７３１ａを排気ガスが通過するようになっているために、パティキュレートフィルタ７０と同様に、各隔壁７３１ａによってパティキュレートを捕集することができる。例えば機関始動時のように、弁体７１ａを中間位置とする時、又は、弁体７１ａを切り換えている間は、パティキュレートを含む排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることとなるが、この時において、排気ガス中のパティキュレートは、本触媒装置７３１によって捕集され、大気中へ放出されることはない。
【０１２９】
こうして捕集されたパティキュレートは、本触媒装置７３１が、ＮＯＸ吸蔵還元触媒として、パティキュレートフィルタ７０と同様な貴金属触媒と活性酸素放出剤として使用可能な物質とを担持している場合には、この物質から放出される活性酸素によってパティキュレートフィルタ７０上と同様に酸化除去され、本触媒装置７３１の隔壁７３１ａにパティキュレートが堆積することはない。また、本触媒装置７３１が、酸化触媒として、白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持している場合にも、前述したように活性酸素を放出させることができ、隔壁７３１へのパティキュレートの堆積を防止することができる。
【０１３０】
触媒装置７３１へは、パティキュレートフィルタ７０をバイパスする排気ガス中のパティキュレートやパティキュレートフィルタ７０により捕集できなかったパティキュレートが到来するだけであるために、パティキュレートフィルタ７０と同様な考え方に基づく触媒装置７３１の酸化除去可能微粒子量を上回ってパティキュレートが触媒装置７３１に捕集される可能性は少ない。
【０１３１】
もし、何らかの要因によって触媒装置７３１の隔壁７３１ａに比較的多量のパティキュレートが堆積したとしても、又は、触媒装置７３１の隔壁７３１ａに担持された触媒が活性酸素を放出しないもので長期使用によって隔壁７３１ａに比較的多量のパティキュレートが堆積したとしても、本触媒装置７３１は、各先細形状部７３１ｃに通路７３１ｄが設けられているために、パティキュレートの堆積によって各隔壁７３１ａを排気ガスが通過できなくなっても、排気ガスは、排気上流側の各先細形状部７３１ｃの通路７３１ｄを介して対応する軸線方向空間７３１ｂへ流入して、そのまま、対応する軸線方向空間７３１ｂから流出することができ、また、排気上流側の各先細形状部７３１ｃに隣接する大きな各開口を介して対応する軸線方向空間７３１ｂへ流入して、対応する排気下流側の先細形状部７３１ｃの通路７３１ｄから流出することができる。
【０１３２】
こうして、各隔壁７３１ａに多量のパティキュレートが堆積しても、触媒装置７３１の排気抵抗が異常に高まって車両走行が不可能となるようなことはない。もちろん、この時においても、排気ガスが触媒装置７３１を通過する際には、隔壁７３１ａ表面に担持された触媒と接触するために、ＨＣ、ＣＯ、及び、ＮＯＸ等の排気ガス中の有害成分は担持された触媒に応じて浄化可能である。
【０１３３】
図３３は、図３２に基づき説明した触媒装置７３１の第一変形例を示す断面図である。図３２の触媒装置との違いのみを以下に説明する。本触媒装置７３２では、排気上流側の先細形状部に代えて栓７３２ｃが設けられ、栓７３２ｃによって、対応する軸線方向空間７３２ｂが排気上流側において閉鎖されている。排気下流側の先細形状部は省略されている。また、７３２ｅは外枠であり、７３２ａは同様に多孔質材料から形成された隔壁である。
【０１３４】
このように構成された触媒装置７３２において、排気ガスは、栓７３２ｃによって閉鎖された軸線方向空間７３２ｂによって取り囲まれて、栓７３２ｃが設けられていない軸線方向空間７３２ｂへ流入し、実線矢印で示すように、一部の排気ガスは、そのまま、この軸線方向空間７３２ｂから流出するが、一部の排気ガスは、隔壁７３２ａを通過して、この軸線方向空間７３２ｂに隣接する軸線方向空間７３２ｂから流出する。
【０１３５】
こうして、隔壁７３２ａを通過する排気ガス中のパティキュレートは、隔壁７３２ａによって捕集される。隔壁７３２ａによって捕集されたパティキュレートは、図３２の触媒装置と同様に、隔壁７３２ａに担持された触媒から放出される活性酸素によって酸化除去されるが、もし、隔壁７３２ａに多量のパティキュレートが堆積しても、排気ガスは、栓７３２ｃが設けられていない軸線方向空間７３２ｂへ流入して、そのまま、この軸線方向空間７３２ｂから流出することができるために、触媒装置７３２の排気抵抗が異常に高まって車両走行が不可能となるようなことはない。もちろん、この時においても、排気ガスが触媒装置７３２を通過する際には、隔壁７３２ａ表面に担持された触媒と接触するために、ＨＣ、ＣＯ、及び、ＮＯＸ等の排気ガス中の有害成分は担持された触媒に応じて浄化可能である。
【０１３６】
図３４は、図３２に基づき説明した触媒装置７３１の第二変形例を示す断面図である。図３３の第一変形例との違いのみを以下に説明する。本触媒装置７３３では、排気上流側に栓７３３ｃが設けられていない軸線方向空間７３３ｂには、排気下流側においてだけ、隔壁７３３ａへ触媒を担持させるための触媒コート層（例えば、アルミナ）を厚くしている。この厚い触媒コート層７３３ｄによって、排気上流側に栓７３３ｃが設けられていない軸線方向空間７３３ｂは、排気下流側において断面積が絞られ、この軸線方向空間７３３ｂから排気ガスが流出し難くなる。
【０１３７】
それにより、図３３の第一変形例に比較して、栓７３３ｃが設けられていない軸線方向空間７３３ｂへ流入した排気ガスは、点線矢印で示すそのままこの軸線方向空間７３３ｂから流出する量が減少し、実線矢印で示す隔壁７３３ａを通過してこの軸線方向空間７３３ｂに隣接する軸線方向空間７３３ｂから流出する量が増加する。
【０１３８】
点線矢印で示す排気ガス流れでは、この排気ガス流れに含まれるパティキュレートを捕集することができないが、こうして、軸線方向空間７３３ｂをそそまま通過する排気ガス量を減少させることにより、触媒装置７３３へ流入する排気ガス中のパティキュレートの多くを隔壁７３３ａによって捕集することができる。もし、隔壁７３３ａに多量のパティキュレートが堆積しても、排気ガスは、栓７３３ｃが設けられていない軸線方向空間７３３ｂへ流入して、そのまま、軸線方向空間７３３ｂの触媒コート層７３３ｄによって絞られた排気下流側から流出することができるために、触媒装置７３３の排気抵抗が異常に高まって車両走行が不可能となるようなことはない。もちろん、この時においても、排気ガスが触媒装置７３３を通過する際には、隔壁７３３ａ表面に担持された触媒と接触するために、ＨＣ、ＣＯ、及び、ＮＯＸ等の排気ガス中の有害成分は担持された触媒に応じて浄化可能である。
【０１３９】
図３５は、図３２に基づき説明した触媒装置７３１の第三変形例を示す断面図である。図３２の触媒装置との違いのみを以下に説明する。本触媒装置７３４では、排気下流側の先細形状部の代りに、第二変形例と同様な厚い触媒コート層７３４ｄが設けられている。
【０１４０】
このような構成によっても、図３２の触媒装置７３１と同様な効果を得ることができる。また、隔壁７３４ａによって先細形状部７３４ｃを形成して通路７３４ｆを設けるよりも、厚い触媒コート層７３４ｄを設けることの方が容易であるために、本触媒装置７３４は、図３２の触媒装置７３１に比較して製造が簡単となる。もちろん、本触媒装置７３４において、排気上流側の先細形状部７３４ｃ及び通路７３４ｆを、排気下流側と同様に、厚い触媒コート層に代えることも可能であり、それにより、さらに製造が容易となる。
【０１４１】
図３６は、図３２に基づき説明した触媒装置７３１の第四変形例を示す断面図である。図３４の第二変形例７３３との違いのみを以下に説明する。本触媒装置７３５では、栓７３５ｃが排気上流側ではなく排気下流側に設けられ、厚い触媒コート層７３５ｄが排気下流側ではなく排気上流側に設けられている。
【０１４２】
また、排気下流側が栓７３５ｃによって閉鎖された軸線方向空間７３５ｂの排気上流側において、この軸線方向空間７３５ｂを取り囲む隔壁７３５ａが面取りされ、この軸線方向空間７３５ｂは排気上流側で大きく開口するようになっている。それにより、排気ガスがこの軸線方向空間７３５ｂへ流入し易くなっている。
【０１４３】
このような構成により、本触媒装置７３５へ流入する排気ガスは、排気上流側において大きな開口を有する約半数の軸線方向空間７３５ｂへ流入すると共に、点線で示すように、排気上流側において厚い触媒コート層７３５ｄにより絞られた約半数の軸線方向空間７３５ｂへも流入する。
【０１４４】
また、大きな開口を有する軸線方向空間７３５ｂは、排気下流側を栓７３５ｃにより閉鎖されているために、この軸線方向空間７３５ｂへ流入した排気ガスは、実線矢印で示すように、この軸線方向空間７３５ｂを取り囲む隔壁７３５ａを確実に通過して、隣接する軸線方向空間７３５ｂから流出する。
【０１４５】
こうして、本触媒装置７３５においては、流入した排気ガスの多くが隔壁７３５ｂを通過することとなり、隔壁７３５ｂによって排気ガス中のパティキュレートを良好に捕集することができる。隔壁７３５ａによって捕集されたパティキュレートは、図３２の触媒装置と同様に、隔壁７３５ａに担持された触媒から放出される活性酸素によって酸化除去されるが、もし、隔壁７３５ａに多量のパティキュレートが堆積しても、排気ガスは、厚い触媒コート層７３５ｄによって排気上流側を絞られた軸線方向空間７３５ｂへ流入して、そのまま、この軸線方向空間７３５ｂから流出することができるために、触媒装置７３５の排気抵抗が異常に高まって車両走行が不可能となるようなことはない。もちろん、この時においても、排気ガスが触媒装置７３５を通過する際には、隔壁７３５ａ表面に担持された触媒と接触するために、ＨＣ、ＣＯ、及び、ＮＯＸ等の排気ガス中の有害成分は担持された触媒に応じて浄化可能である。
【０１４６】
図３７は、排気浄化装置のもう一つの実施形態を示す平面図であり、図３８はその側面図である。図１８及び１９に示す排気浄化装置との違いは、触媒装置７３’の位置だけである。本排気浄化装置における触媒装置７３’は、排気浄化装置を構成する中央管部材７１の下流部分７１ｄ内において、パティキュレートフィルタ７０の外側ケース７０ａ回りに配置されている。それにより、この触媒装置７３’の断面形状は、下流部分７１ｄが円形断面を有する場合には、この円形断面形状から中央の外側ケース７０ａの矩形断面形状が除去された形状となる。
【０１４７】
こうして、触媒装置７３’は、前述の排気浄化装置に比較して、さらにパティキュレートフィルタ７０に近接して配置されることとなる。それにより、パティキュレートフィルタ７０での活性酸素によるパティキュレートの酸化除去及び貴金属触媒での還元物質の燃焼によってパティキュレートフィルタが昇温された際に、パティキュレートフィルタ７０から触媒装置７３’へさらに十分な熱伝導がなされ、触媒装置７３’は良好に昇温されて触媒を十分に活性化することができる。
【０１４８】
また、この触媒装置７３’の位置によって、パティキュレートフィルタ７０の外側ケース７０ａを介しての放熱は、主に触媒装置７３’を加熱することに使用される。それにより、触媒装置７３’の温度が上昇すれば、パティキュレートフィルタ７０からの放熱量を減少させることができ、これは、パティキュレートフィルタ７０自身の温度を高く維持してパティキュレートフィルタ７０の酸化除去可能微粒子量を高めることとなる。
【０１４９】
また、触媒装置７３’の温度が排気ガスの浄化に伴う発熱によってパティキュレートフィルタ７０の温度より高くなれば、逆に触媒装置７３’からパティキュレートフィルタ７０へ良好な熱伝導がなされ、パティキュレートフィルタ７０を昇温して酸化除去可能微粒子量を向上させることができる。もちろん、前述の排気浄化装置における触媒装置７３でも、温度が十分に高くなれば、熱伝導によってパティキュレートフィルタ７０を昇温することができる。本排気浄化装置における触媒装置７３’は、前述の触媒装置７３と同様な触媒を担持させることができ、また、モノリス型の担体又は前述の図３２から図３６に示した担体が使用可能である。
【０１５０】
【発明の効果】
このように、本発明による内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されてパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段とを具備し、パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられ、パティキュレートフィルタは、パティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、捕集壁は第一捕集面と第二捕集面とを有し、逆転手段によってパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されることによりパティキュレートを捕集するために捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とが交互に使用され、パティキュレートフィルタの常に下流側となる位置において触媒装置がパティキュレートフィルタに近接して配置されている。それにより、運転状態によっては、パティキュレートの酸化が不十分となってパティキュレートフィルタ捕集壁の第一捕集面にはある程度のパティキュレートが残留することがあるが、逆転手段によるパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転によって、捕集壁の第一捕集面には新たにパティキュレートが堆積することはなく、堆積パティキュレートを徐々に酸化除去可能である。同時に、捕集壁の第二捕集面によってパティキュレートの捕集及び酸化が開始される。こうして、パティキュレートの捕集に第一捕集面と第二捕集面とが交互に使用されると、常に単一の捕集面でパティキュレートを捕集する場合に比較して、各捕集面でのパティキュレート捕集量を低減することができ、パティキュレートの酸化除去に有利となるために、パティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することはなく、パティキュレートフィルタの目詰まりを防止することができる。
【０１５１】
また、パティキュレートフィルタの常に下流側となる位置には触媒装置がパティキュレートフィルタに近接して配置されているために、触媒装置は、パティキュレートフィルタからの熱伝導によって昇温されて比較的良好に機能し、パティキュレート以外の排気ガスに含まれる有害物質の大気放出量を良好に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置を備えるディーゼルエンジンの概略縦断面図である。
【図２】図１の燃焼室の拡大縦断面図である。
【図３】図１のシリンダヘッドの底面図である。
【図４】燃焼室の側面断面図である。
【図５】吸排気弁のリフトと燃料噴射を示す図である。
【図６】スモークおよびＮＯｘの発生量等を示す図である。
【図７】燃焼圧を示す図である。
【図８】燃料分子を示す図である。
【図９】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図である。
【図１０】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図１１】第１の運転領域Ｉおよび第２の運転領域ＩＩを示す図である。
【図１２】空燃比センサの出力を示す図である。
【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。
【図１４】第１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１５】スロットル弁等の目標開度のマップを示す図である。
【図１６】第二燃焼における空燃比を示す図である。
【図１７】スロットル弁等の目標開度を示す図である。
【図１８】排気浄化装置を示す断面図である。
【図１９】図１８の側面図である。
【図２０】弁体のもう一つの遮断位置を示す図である。
【図２１】弁体の中間位置を示す図である。
【図２２】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図２３】パティキュレートの酸化作用を説明するための図である。
【図２４】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２５】パティキュレートの堆積作用を説明するための図である。
【図２６】パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止するための第一フローチャートである。
【図２７】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面図である。
【図２８】触媒装置の昇温のための第二フローチャートである。
【図２９】触媒装置を温度制御のための第三フローチャートである。
【図３０】触媒装置からパティキュレートの塊を除去するための第四フローチャートである。
【図３１】触媒装置の昇温制御のための第五フローチャートである。
【図３２】パティキュレートの捕集を可能とする触媒装置の側面断面図である。
【図３３】図３２の触媒装置の第一変形例を示す側面断面図である。
【図３４】図３２の触媒装置の第二変形例を示す側面断面図である。
【図３５】図３２の触媒装置の第三変形例を示す側面断面図である。
【図３６】図３２の触媒装置の第四変形例を示す側面断面図である。
【図３７】もう一つの排気浄化装置を示す断面図である。
【図３８】図３７の側面図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
７０…パティキュレートフィルタ
７１…中央管部材
７１ａ…弁体
７３，７３１，７３２，７３３，７３４，７３５…触媒装置
７５…排気絞り弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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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１７】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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