(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタと、機関排気系に配置されて機関減速時に閉弁方向へ作動させられる排気絞り弁と、機関吸気系へ取り入れられる新気量を検出する新気量検出手段と、機関減速時に前記排気絞り弁による制動力が必要であるか否かを判断する制動力判断手段とを具備し、機関減速時において、前記制動力判断手段により前記排気絞り弁による制動力が不必要であると判断された時には、前記排気絞り弁の閉弁方向への作動を中止するか又は閉弁方向に作動させられた前記排気絞り弁を開弁させると共に前記新気量検出手段によって検出された前記新気量と基準値とを比較することにより前記パティキュレートフィルタへのパティキュレート捕集量を推定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記制動力判断手段は、現在の積載重量、現在の選択変速ギヤ、及び、現在の車速の少なくとも一つに基づき前記排気絞り弁による制動力が必要であるか否かを判断す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】
前記内燃機関は、機関排気系の前記パティキュレートフィルタ上流側と機関吸気系とを連通する排気ガス再循環通路と、前記排気ガス再循環通路を介して再循環させる排気ガス量を機関運転状態に応じた最適値に制御するための制御弁とを具備し、機関減速時において、前記制動力判断手段により前記排気絞り弁による制動力が不必要であると判断された時には、前記制御弁を設定開度へ開弁させた後に前記新気量検出手段によって検出された前記新気量と基準値とを比較して前記パティキュレートフィルタへのパティキュレート捕集量を推定す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。
【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、カーボンを主成分とする有害なパティキュレートが含まれており、大気中へのパティキュレート排出量を低減することが望まれている。そのためにディーゼルエンジンの排気系には、パティキュレートを捕集するフィルタとして、パティキュレートフィルタを配置することが提案されている。このようなパティキュレートフィルタは、パティキュレート捕集量の増加に伴い大きな排気抵抗となるために、捕集したパティキュレートを燃焼させ、パティキュレートフィルタ自身を再生する必要がある。
【０００３】
機関高負荷高速運転のように排気ガスが高温となれば、パティキュレートは自然発火して燃焼するために、パティキュレートフィルタを再生することができる。しかしながら、このような機関高負荷高速運転が頻繁に行われる保証はなく、一般的には、ヒータ又は酸化触媒等をパティキュレートフィルタに配置して、再生時期において、ヒータを作動させたり、又は、酸化触媒へ未燃燃料等を供給する等の再生処理が実施されることとなる。
【０００４】
従って、パティキュレートフィルタの再生時期を判断することが必要とされるが、判断された再生時期が早過ぎると不必要に再生処理が行われることとなり、バッテリの大型化又は多量の燃料消費等の問題が発生する。また、判断された再生時期が遅過ぎると機関排気系の排気抵抗が非常に大きくなり、機関出力を低下させる。
【０００５】
こうして、パティキュレートフィルタの再生時期を正確に判断することが望まれている。例えば、車両走行距離が多いほどパティキュレート捕集量が増大することに基づき、再生時期を判断することが提案されているが、所定走行距離の間の運転状態によってパティキュレート捕集量に顕著な違いが発生するために、この方法では、正確な再生時期を判断することはできない。
【０００６】
また、パティキュレートフィルタの上流側と下流側とに圧力センサを配置して、パティキュレート捕集量が増加するほど、これら二つの圧力センサにより検出される差圧が増大することに基づき再生時期を判断することも提案されているが、圧力センサが高価であると共に圧力センサ自身に比較的大きな測定誤差があり、この方法もあまり好ましくはない。
【０００７】
安価で比較的正確にパティキュレートフィルタの再生時期を判断するために、特開平３−４１１１２号公報には、パティキュレート捕集量が増加するほど吸入新気量が減少することに基づき、測定された吸入新気量と機関運転状態毎の基準値とを比較してパティキュレートフィルタの再生時期を判断することが提案されている。
【０００８】
このような吸入新気量に基づくパティキュレートフィルタの再生時期の判断では、吸入新気量が安定していることが重要であり、定常運転時は、この判断に適しているが、市街地走行においては定常運転が長期間行われないことがあり、判断間隔が長期化するために、パティキュレートフィルタに多量のパティキュレートが捕集されているにも係らずに、再生時期と判断されないことがある。アクセルペダルが開放される機関減速時は、吸入空気量が安定しており、比較的頻繁に再生時期を判断するのにも適している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大型車両等には、機関排気系に排気絞り弁が設けられていることがあり、機関減速時に排気ブレーキを発生させるために排気絞りが作動させられると、排気絞り弁がパティキュレートフィルタの上流側に設けられている場合においては、パティキュレート捕集量に関係なく、吸入新気量を減少させることとなり、吸入新気量に基づく再生時期の判断が不可能となる。また、排気絞り弁がパティキュレートフィルタの下流側に設けられている場合においても、パティキュレート捕集量にかかわらずにパティキュレートフィルタの排気上流側の圧力を上昇させ、やはり吸入新気量を減少させることとなるために、吸入新気量に基づく正確な再生時期の判断は不可能となる。
【００１０】
従って、本発明の目的は、機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタへのパティキュレート捕集量を減速時に推定して再生時期等を的確に判断可能とすると共に、機関排気系に配置された排気絞り弁によって車両を良好に減速させ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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明による内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されたパティキュレートフィルタと、機関排気系に配置されて機関減速時に閉弁方向へ作動させられる排気絞り弁と、機関吸気系へ取り入れられる新気量を検出する新気量検出手段と、機関減速時に前記排気絞り弁による制動力が必要であるか否かを判断する制動力判断手段とを具備し、機関減速時において、前記制動力判断手段により前記排気絞り弁による制動力が不必要であると判断された時には、前記排気絞り弁の閉弁方向への作動を中止するか又は閉弁方向に作動させられた前記排気絞り弁を開弁させると共に前記新気量検出手段によって検出された前記新気量と基準値とを比較することにより前記パティキュレートフィルタへのパティキュレート捕集量を推定することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に記載の本発明による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、前記制動力判断手段は、現在の積載重量、現在の選択変速ギヤ、及び、現在の車速の少なくとも一つに基づき前記排気絞り弁による制動力が必要であるか否かを判断することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の本発明による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、前記内燃機関は、機関排気系の前記パティキュレートフィルタ上流側と機関吸気系とを連通する排気ガス再循環通路と、前記排気ガス再循環通路を介して再循環させる排気ガス量を機関運転状態に応じた最適値に制御するための制御弁とを具備し、機関減速時において、前記制動力判断手段により前記排気絞り弁による制動力が不必要であると判断された時には、前記制御弁を設定開度へ開弁させた後に前記新気量検出手段によって検出された前記新気量と基準値とを比較して前記パティキュレートフィルタへのパティキュレート捕集量を推定することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す概略図である。同図において、１は機関本体、２は機関吸気系、３は機関排気系である。機関吸気系２において、各気筒へ接続されたインテークマニホルド２ａの上流側にはスロットル弁４が配置され、スロットル弁４の上流側には機関吸気系２へ取り入れられた新気量を検出するためのエアフローメータ５が配置されている。エアフローメータ５の上流側はエアクリーナを介して大気へ通じている。本実施形態において、スロットル弁４は、アクセルペダルに連動して機械的に駆動されるものではなく、ステップモータ等によって自由に開度設定が可能なものである。
【００１５】
一方、機関排気系３においては、各気筒へ接続されたエキゾーストマニホルド３ａの下流側にパティキュレートフィルタ６が配置されている。パティキュレートフィルタ６の下流側は、触媒コンバータ及び消音器等を介して大気へ通じている。
【００１６】
機関吸気系におけるインテークマニホルド２ａとスロットル弁４との間と、機関排気系におけるエキゾーストマニホルド３ａとパティキュレートフィルタ６との間とは、排気ガス再循環通路７によって連通され、排気ガス再循環通路７には再循環させる排気ガス量を機関運転状態に応じた最適量に制御するための制御弁７ａが配置されている。
【００１７】
また、排気ガス再循環通路７には、多量の排気ガスを再循環させることを可能とするために再循環排気ガスを冷却する排気冷却器７ｂが設けられている。また、機関排気系３における排気ガス再循環通路７の接続部とパティキュレートフィルタ６との間には、ターボチャージャのタービン８ａが設けられ、機関吸気系２におけるスロットル弁４とエアフローメータとの間には、ターボチャージャのコンプレッサ８ｂが設けられている。また、機関吸気系２には、多量の新気を気筒内へ導入することを可能とするために新気を冷却する吸気冷却器２ｂが設けられている。また、機関排気系３におけるパティキュレートフィルタ６の下流側には、排気ブレーキとして機関排気系の通路断面積を減少させることを可能とする排気絞り弁１５が設けられている。排気絞り弁１５は、ステップモータ又は負圧アクチュエータ等の駆動装置（図示せず）によって作動させられる。
【００１８】
パティキュレートフィルタ６は、例えば、セラミック等の多孔性物質からなる多孔性物質パティキュレートフィルタである。このパティキュレートフィルタは、複数の長手方向に延在する隔壁によって細分化された複数の軸線方向空間を有し、隣接する二つの軸線方向空間において、一方が排気上流側を、他方が排気下流側をセラミック等の閉塞材によって閉塞されている。こうして、隣接する二つの軸線方向空間は、排気上流側から流入した排気ガスが隔壁を介して排気下流側に流出するトラップ通路となり、多孔質物質からなる隔壁は、トラップ壁として、排気ガス通過の際にパティキュレートを捕集するようになっている。
【００１９】
また、パティキュレートフィルタ６は、例えば、耐熱性金属繊維の不織布と耐熱性金属の波板から構成された金属繊維パティキュレートフィルタとしても良い。このパティキュレートフィルタは、二枚の不織布と二枚の波板とが互いに違いに厚さ方向に積層されて螺旋状に巻かれ、不織布と波板とによって複数の軸線方向空間が形成されているものである。不織布を構成する耐熱性金属繊維及び波板を構成する耐熱金属として、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金又はＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金等が利用可能である。二枚の不織布は、排気上流側端部において一方の面同士を互いに密着させて螺旋状に連続して溶接され、また、排気下流側端部において他方の面同士を互いに密着させて螺旋状に連続して溶接される。こうして、半径方向に隣接する二つの軸線方向空間は、排気上流側から流入した排気ガスがいずれかの不織布を介して排気下流側に流出するトラップ通路となり、不織布は、トラップ壁として、排気ガス通過の際にパティキュレートを捕集するようになっている。
【００２０】
このようなパティキュレートフィルタ６に捕集されるパティキュレートが多量となると、排気抵抗を大きくして機関出力を大幅に低下させるために、適当量のパティキュレートが捕集された時点でパティキュレートを燃焼させ、パティキュレートフィルタ自身を再生する必要がある。
【００２１】
このための手段として、本実施形態では、パティキュレートフィルタにヒータが配置されており、このヒータを作動させるための再生時期の判断が必要である。また、パティキュレートフィルタの再生手段として、酸化触媒等をパティキュレートフィルタに配置して、再生時期に酸化触媒へ未燃燃料等を供給するようにしても良い。
【００２２】
再生時期の判断は、早過ぎても遅過ぎても好ましくなく、適当量のパティキュレートが捕集されたことを正確に判断することが必要である。本実施形態では、制御装置２０によって、図２に示すフローチャートに従って再生時期の判断を実施するようになっている。
【００２３】
先ず、ステップ１０１において、アクセルペダルストロークセンサ（図示せず）によって検出されるアクセルペダルの踏み込み量Ｌが０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、アクセルペダルが踏み込まれており、すなわち、機関運転中であるために、再生時期の判断には適しておらず、そのまま終了する。
【００２４】
一方、この判断が肯定される時、すなわち、アクセルペダルが踏み込まれていない時には、ステップ１０２に進み、燃料噴射量Ｑが０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、燃料噴射が行われて機関運転中であるために、再生時期の判断には適しておらず、そのまま終了する。
【００２５】
しかしながら、ステップ１０２における判断が肯定される時には、機関減速時であるために、ステップ１０３に進み、排気絞り弁１５を閉弁方向に作動させる。それにより、機関排気系３の排気抵抗が増大し、排気行程におけるピストンの仕事量が増加するために、排気ブレーキを発生させることができる。
【００２６】
次いで、ステップ１０４において、車両に積み込まれた荷物等の積載重量Ｗが設定重量Ｗ１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、車両の十分な減速を実現するために比較的大きな制動力、すなわち、ブレーキペダルにより発生可能な制動力に加えて排気ブレーキによる制動力が必要となることがあり、排気絞り弁１５を作動させたまま終了する。
【００２７】
一方、ステップ１０４における判断が肯定される時には、それほど大きな制動力は必要とされず、排気ブレーキによる制動力は不必要である可能性があり、ステップ１０５において、シフトレバーによって現在選択されている変速ギヤが４速又は５速等の高速ギヤであるか否かが判断される。この判断が否定される時、すなわち、１，２，３速等の低中速ギヤが選択されている時には、排気絞り弁１５を作動させなくても、アクセルペダルの開放と同時に比較的大きなエンジンブレーキが発生するために、排気ブレーキが不必要である可能性は高まり、ステップ１０７に進む。
【００２８】
一方、高速ギヤが選択されている時には、アクセルペダルが開放されてもエンジンブレーキが十分に発生せず、排気ブレーキが必要とされる可能性は高まるが、ステップ１０６において、ブレーキペダルが踏み込まれているか否かが判断され、この判断が否定される時には、運転者は車両を大幅に減速させようとしてはおらず、排気ブレーキが必要とされる可能性は低く、ステップ１０７に進む。一方、ブレーキペダルが踏み込まれている時には、運転者は車両を大幅に減速させることを意図しており、排気ブレーキは必要とされるために、排気絞り弁１５を作動させたまま終了する。
【００２９】
ステップ１０７では、現在の車速Ｓが設定車速Ｓ１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、現在の車速Ｓは高く、大幅な減速を意図して排気ブレーキが必要とされることがあり、排気絞り弁１５を作動させたまま終了する。
【００３０】
しかしながら、ステップ１０７における判断が肯定される時には、積載重量Ｗが比較的軽く、低中速ギヤが選択されて比較的大きなエンジンブレーキを発生させることができ、又は、高速ギヤが選択されているがブレーキペダルによる制動力も必要とされておらず、また、車速Ｓも低いために、運転者は車両減速のために排気ブレーキを必要としてはいない。それにより、ステップ１０８において排気絞り弁１５は開弁され、ステップ１０９以降におけるパティキュレートフィルタの再生時期の判断が実施される。本フローチャートでは、こうして排気ブレーキが必要であるか否かを判断しているが、これは本発明を限定するものではなく、例えば、積載重量、選択ギヤ、及び車速の少なくとも一つに基づき排気ブレーキが必要であるか否かを判断しても良く、また、これらの情報に基づく実際に必要な要求制動力と、現在のエンジンブレーキ及びブレーキペダルによる実制動力とを推定し、要求制動力が実制動力を上回る時にだけ、排気ブレーキが必要であると判断するようにしても良い。
【００３１】
ステップ１０９では、スロットル弁４を全開又は全開に近い設定開度とし、ステップ１１０において制御弁７ａを全開又は全開に近い設定開度とする。次いでステップ１１１において、現在の機関回転数に基づき各気筒へ吸入されるはずの吸気量基準値Ｇｎ’が算出される。もちろん、機関回転数毎の基準値Ｇｎ’をマップ化しておいても良い。
【００３２】
次いでステップ１１２において、ステップ１１１において算出された基準値Ｇｎ’とエアフローメータ５により検出される実際の新気量Ｇｎとの差が所定値Ａより大きいか否かが判断され、この判断が否定される時には、再生時期ではないとして、そのまま終了する。一方、ステップ１１２における判断が肯定される時には、ステップ１１３において再生時期であると判断され、パティキュレートフィルタ６に配置されたヒータを作動して再生処理が実施される。
【００３３】
このような吸入空気量に基づくパティキュレートフィルタの再生時期の判断では、吸入空気量が安定していることが必要であり、定常運転時は、この判断に適しているが、市街地走行においては定常運転が長期間行われないことがあり、判断間隔が長期化してしまう。パティキュレートフィルタの再生時期を的確に判断するためには、比較的頻繁に再生時期の判断が必要であり、アクセルペダルが開放される機関減速時は、吸入空気量も安定しており、これに適している。
【００３４】
しかしながら、機関減速時にパティキュレートフィルタ６の下流側に配置された排気絞り弁１５が作動させられると、パティキュレート捕集量が少なくてもパティキュレートフィルタの排気上流側の圧力が上昇し、吸入新気量を減少させることとなるために、吸入新気量に基づいてパティキュレート捕集量を正確に推定することができなくなる。また、排気絞り弁１５がパティキュレートフィルタ６の上流側に配置されている場合にも、排気絞り弁１５の作動によって吸入新気量を単に減少させ、吸入新気量に基づくパティキュレート捕集量の推定は不可能となる。
【００３５】
本実施形態では、機関減速時において、一旦は排気絞り弁を作動させて排気ブレーキを発生させるが、機関減速時でも排気ブレーキが必要とされない場合も多く、この場合には、排気絞り弁を開弁させて吸入空気量に基づくパティキュレートフィルタの再生時期の判断を実施するようになっており、判断間隔を長期化させることなく、的確な再生時期の判断が可能である。
【００３６】
また、本実施形態において、排気ブレーキが必要であると判断されて始めて排気ブレーキを発生させるのではなく、機関減速と同時に排気ブレーキを発生させているために、今回の機関減速が排気ブレーキを必要としている場合には、車両の十分な減速が実現され、運転者が減速不足によって違和感を持つようなことはない。しかしながら、今回の機関減速において排気ブレーキが必要であるか否かの判断時間を制御装置の改良等によって非常に短くすることができれば、この判断後に必要に応じて排気絞り弁を作動させるようにしても、非常に短時間だけ排気ブレーキが発生しないだけであり、運転者の違和感はない。
【００３７】
しかしながら、アクセルペダルを開放した直後は、機関回転数の変動が大きく、また、本実施形態のようにターボチャージャを備えている場合には、コンプレッサの回転が低下するまで吸入空気量が安定しない。それにより、アクセルペダルの開放と同時に排気ブレーキを発生させるか否かにかかわらず、アクセルペダルの開放直後は、ステップ１０９以降の再生時期の判断を実施しないことが好ましい。
【００３８】
ところで、吸入新気量に基づく再生時期の判断は、パティキュレート捕集量が増加するほど吸入新気量が減少することに基づいており、実際の吸入新気量が、パティキュレートが全く捕集されていない時の吸入新気量における基準値の例えば８０％に低下した場合に、パティキュレートフィルタには適当量のパティキュレートが捕集されたとして再生時期と判断することができる。
【００３９】
しかしながら、通常の機関運転時では、再生時期の判断のための吸入新気量の検出に際して、排気ガス再循環を中止する必要があり、この時のＮＯＸ生成量が増加してしまう。それによっても、本実施形態のように、フューエルカットされて燃焼が中止されている機関減速時に再生時期を判断することは好ましい。しかしながら、機関減速時には、基準値自身が小さくなるために、実際の吸入新気量が基準値の８０％となっても、僅かな差であり、正確に再生時期を判断するためには吸入空気量を非常に正確に測定することが必要である。
【００４０】
本実施形態では、本発明を限定するものではないが、機関減速時にスロットル弁４を全開近傍へ開弁増加させて、吸入新気量を増大させると共に基準値を増大させている。フューエルカットされていれば、吸入新気量を増大させても特に問題はなく、こうして、吸入空気量の測定に多少の誤差が含まれていても、比較的正確に再生時期を判断することが可能となる。
【００４１】
また、本発明を限定するものではないが、本実施形態では、さらに、機関減速時において排気ガス再循環通路７の制御弁を全開している。もし、パティキュレートフィルタ６にパティキュレートが捕集されていないならば、機関吸気系２のスロットル弁４の下流側と、機関排気系６のパティキュレートフィルタ６の上流側とは、ほぼ等しい圧力となるために、排気ガス再循環通路７を通過する気体は存在してもわずかであり、それにより、基準値Ｇｎ’と実際の吸入新気量Ｇｎとはほぼ等しくなり、ステップ１１２における判断は否定される。
【００４２】
しかしながら、パティキュレートフィルタ６へパティキュレートが捕集されて排気抵抗が増加すると、機関排気系６におけるパティキュレートフィルタ６の上流側の圧力は高まり、排気ガス再循環通路７を通過して機関吸気系へ気体が再循環し始め、その量は、パティキュレート捕集量が増加するほど多くなる。それにより、実際の吸入新気量は、パティキュレートフィルタ６の排気抵抗の増加に伴って減少すると共に、この再循環気体量に伴って減少することとなる。
【００４３】
こうして、パティキュレートフィルタ６へ適当量のパティキュレートが捕集された時点では、基準値Ｇｎ’と実際の吸入新気量Ｇｎとの間にはさらに顕著な差が発生することとなる。それにより、ステップ１１２において、比較的大きな所定値Ａを使用することができ、多少の測定誤差があっても正確に再生時期を判断することができる。ここで、基準値Ｇｎ’と実際の吸入新気量Ｇｎとの差は、パティキュレートフィルタ６へのパティキュレート捕集量を表す値となる。
【００４４】
本実施形態では、基準値Ｇｎ’と実際の吸入新気量Ｇｎとの差をパティキュレート捕集量として、これが所定値Ａを越える時に再生時期と判断するようにしたが、もちろん、実際の吸入新気量Ｇｎと基準値Ｇｎ’との比Ｇｎ／Ｇｎ’もパティキュレート捕集量を表す値である。この値は、捕集量が０の時には１となり、捕集量の増加と共に減少するものである。それにより、この値が所定値（例えば、０．６）となった時、すなわち、実際の吸入新気量Ｇｎが基準値Ｇｎ’の６０％となった時に、再生時期と判断するようにしても良い。ここで、所定値６０％を使用したが、これは、排気ガス再循環通路７を介しての気体の再循環が起こる結果であり、パティキュレートフィルタが４０％も気体を通過させ難くなったことを意味するものではなく、適当量のパティキュレートが捕集された時点で、従来に比較して顕著に吸入新気量が減少することを意味している。
【００４５】
図３は、前述したヒータ等の再生手段を有するパティキュレートフィルタとは異なるパティキュレートフィルタ６’の周囲構造を示す平面図であり、図４は、その側面図である。この周囲構造には、エキゾーストマニホルド３ａの下流側に排気管３ｂを介して接続された切換部９と、パティキュレートフィルタ６’と、パティキュレートフィルタ６’の一方側と切換部９とを接続する第一接続部３ｄと、パティキュレートフィルタ６’の他方側と切換部９とを接続する第二接続部３ｅと、切換部９の下流側の排気通路３ｃとが設けられている。切換部９は、切換部９内で排気流れを遮断することを可能とする弁体９ａを具備している。弁体９ａの一方の遮断位置において、切換部９内の上流側が第一接続部３ｄと連通されると共に切換部９内の下流側が第二接続部３ｅと連通され、排気ガスは、図３に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ６’の一方側から他方側へ流れる。
【００４６】
また、図５は、弁体９ａの他方の遮断位置を示している。この遮断位置において、切換部９内の上流側が第二接続部３ｅと連通されると共に切換部９内の下流側が第一接続部３ｄと連通され、排気ガスは、図５に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ６’の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁体９ａを切り換えることによって、パティキュレートフィルタ６’へ流入する排気ガスの方向を逆転することができ、すなわち、パティキュレートフィルタ６’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。
【００４７】
このようにして、本パティキュレートフィルタの周囲構造は、非常に簡単な構成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逆転することが可能となる。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、本パティキュレートフィルタ周囲構造は、車両搭載性を悪化させることなく、図３及び４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となる。
【００４８】
図６にパティキュレートフィルタ６’の構造を示す。なお、図６において、（Ａ）はパティキュレートフィルタ６’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６’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５２，５３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６（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の排気上流側表面上及び隔壁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６’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。
【００４９】
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。
【００５０】
この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、及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。
【００５１】
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。
【００５２】
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及びカリウム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。
【００５３】
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、機関吸気系及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及びＳＯ２を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ６’の排気上流側へ流入することになる。
【００５４】
図７（Ａ）及び（Ｂ）はパティキュレートフィルタ６’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７（Ａ）及び（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。
【００５５】
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７（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７（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、排気ガスに含まれる有害なＮＯＸをパティキュレートフィルタ６’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。
【００５６】
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及び硫酸カリウムＫ２ＳＯ４が生成される。
【００５７】
排気ガス中のパティキュレートは、図７（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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は輝炎を発することなく酸化せしめられる。
【００６０】
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が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。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。
【００６１】
図８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８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。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、即ち図８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に捕集されるや否や短時間のうちにパティキュレートフィルタ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、即ち図８の領域ＩＩでは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。図９（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合のパティキュレートの酸化の様子を示している。
【００６３】
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９（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９（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。
【００６４】
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９（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して、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。
【００６５】
このように図８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８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。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。
【００６６】
このようなパティキュレートの堆積が車両走行に悪影響を与えるようになる以前に、例えば、図１０（Ａ）に示す程度にパティキュレートが堆積した時点で、前述のフローチャートによって再生時期であると判断されれば、再生処理として、弁体９ａを他方の遮断位置へ切り換えられるようにしても良い。ウォールフロー型パティキュレートフィルタでは、パティキュレートは、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、すなわち、隔壁５４の一方の捕集面に衝突捕集され、この一方の捕集面からの活性酸素の放出が捕集パティキュレートに対して不十分であると、全て酸化除去されずに残留し、この残留パティキュレートに、次々にパティキュレートが堆積する。
【００６７】
弁体９ａの切り換えによって、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れば、隔壁の一方の捕集面に堆積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及び堆積パティキュレートは徐々に酸化除去される。また、特に隔壁の細孔内に残留及び堆積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１０（Ｂ）に示すように、容易に破壊されて細分化され、細孔内を主に下流側へ移動する。
【００６８】
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、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、残留及び堆積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及び堆積するパティキュレートを酸化除去する。
【００６９】
すなわち、隔壁における一方の捕集面の残留及び堆積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と共に到来する。それにより、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させてパティキュレートフィルタ隔壁の一方の捕集面と他方の捕集面とをパティキュレートの捕集に交互に使用することにより、逆転時にパティキュレートフィルタ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、排気ガスの逆流によって、この残留及び堆積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、残留及び堆積パティキュレートは徐々に酸化除去される。こいして、現在パティキュレートを捕集する他方の捕集面にパティキュレートが残留及び堆積することにより再生時期となって再び弁体９ａが切り換えられるまでには、一方の捕集面に残留及び堆積するパティキュレートを十分に酸化除去可能である。
【００７０】
また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、即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、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積したパティキュレートが輝炎を発することなく一気に燃焼除去させることができる。こうして、弁体９ａ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逆転する時に、又は、その直後に排気ガスの空燃比をリッチにすれば、パティキュレートフィルタ隔壁のパティキュレートが残留及び堆積していない他方の捕集面では、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、残留及び堆積パティキュレートを、さらに確実に酸化除去することが可能となる。
【００７１】
ところで、排気ガス中のカルシウムＣａはＳＯ３が存在すると、前述したアッシュのような硫酸カルシウムＣａＳＯ４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ４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触媒コンバー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。
【００７２】
また、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８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、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、排気ガスの空燃比を定期的に又は不定期にリッチにする必要がある。
【００７３】
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、吸蔵したＮＯＸ及び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り、このリッチ化制御をパティキュレートフィルタの上流側と下流側との逆転後に実施することが好ましい。
【００７４】
【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たパティキュレートフィルタと、機関排気系に配置されて機関減速時に閉弁方向へ作動させられる排気絞り弁と、機関吸気系へ取り入れられる新気量を検出する新気量検出手段と、機関減速時に排気絞り弁による制動力が必要であるか否かを判断する制動力判断手段とを具備し、機関減速時において、制動力判断手段により排気絞り弁による制動力が不必要であると判断された時には、排気絞り弁の閉弁方向への作動を中止するか又は閉弁方向に作動させられた排気絞り弁を開弁させると共に新気量検出手段によって検出された新気量と基準値とを比較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捕集量を推定するようになっている。それにより、機関減速時において、制動力判断手段によって排気絞り弁による制動力が必要と判断されれば、閉弁方向へ作動させられる排気絞り弁によって排気ブレーキを発生させ、車両を良好に減速させることが可能である。また、機関減速時において、制動力判断手段によって排気絞り弁による制動力が不必要と判断されれば、排気絞り弁の閉弁方向への作動を中止するか又は既に閉弁方向に作動されている排気絞り弁を開弁させ、排気ブレーキを発生させないようにして、新気量に基づくパティキュレート捕集量の推定を有効にして、この推定を実施することにより、比較的頻繁にパティキュレート捕集量を正確に推定することができ、パティキュレートフィルタの再生時期を的確に判断することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す概略図である。
【図２】再生時期の判断のためのフローチャートである。
【図３】もう一つのパティキュレートフィルタの周囲構造を示す平面図である。
【図４】図３の側面図である。
【図５】切換部内の弁体の図３とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図６】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図７】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８】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９】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１０】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２…機関吸気系
３…機関排気系
４…スロットル弁
５…エアフローメータ
６…パティキュレートフィルタ
７…排気ガス再循環通路
７ａ…制御弁
１５…排気絞り弁
２０…制御装置
【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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