(57)【要約】【課題】ＮＯＸ触媒を速やかに活性化し又はＮＯＸ触媒の活性を高く維持する。【解決手段】機関排気通路内にＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためにＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給する。ＮＯＸ触媒を迂回する排気ガスの量を制御することにより、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量を制御する切替弁６１を設ける。ＮＯＸ触媒の温度が低いときには、切替弁が順流位置に保持され従ってＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量ＱＥが多いときに、ＮＯＸ触媒内に還元剤を供給する（矢印ＲＦ）。ＮＯＸ触媒の温度が高いときには、切替弁が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に、即ちＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量ＱＥが低減されているときに、ＮＯＸ触媒内に還元剤を供給する（矢印ＲＴ）。【選択図】　　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためにＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給する還元剤供給手段を、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯＸ触媒を迂回するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路内に流入する排気ガスの量が変更されることによりＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が変更されるようになっており、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤が供給されるときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量がＮＯＸ触媒の温度に応じて異なるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
ＮＯＸ触媒の温度が低いときには高いときに比べて、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が多くなるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が多いときには少ないときに比べて、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に供給される還元剤の量が多くなるようにした請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
ＮＯＸ触媒の温度が予め定められた設定温度よりも低いときには、排気ガスがバイパス通路内に流入するのが阻止されてほぼ全ての排気ガスがＮＯＸ触媒内に流入するときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給し、ＮＯＸ触媒の温度が設定温度よりも高いときには、排気ガスの一部がバイパス通路内に流入してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が減少されているときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＮＯＸ触媒の温度がＮＯＸ浄化能下限温度を越えて低下するとＮＯＸ触媒のＮＯＸ浄化能が許容下限値を越えて低下するようになっており、前記設定温度をＮＯＸ触媒のＮＯＸ浄化能下限温度に設定した請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
流入する排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に前記ＮＯＸ触媒が担持されており、ＮＯＸ触媒の温度が微粒子酸化能下限温度を越えて低下するとＮＯＸ触媒の微粒子酸化能が許容下限値を越えて低下するようになっており、前記設定温度をＮＯＸ触媒の微粒子酸化能下限温度に設定した請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
内燃機関が始動されてからの経過時間が予め定められた設定時間よりも短いときには、排気ガスがバイパス通路内に流入するのが阻止されてほぼ全ての排気ガスがＮＯＸ触媒内に流入するときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給し、内燃機関が始動されてからの経過時間が設定時間を越えた後には、排気ガスの一部がバイパス通路内に流入してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が減少されているときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
バイパス通路内に流入する排気ガスの量が機関運転状態に応じて変更されることによりＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が機関運転状態に応じて変更されるようになっている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤が供給されるときにバイパス通路内に流入する排気ガスの量をＮＯＸ触媒の温度に応じて変更することにより、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤が供給されるときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量をＮＯＸ触媒の温度に応じて変更する排気ガス量変更手段を具備した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記バイパス通路内に追加のＮＯＸ触媒を配置し、追加のＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための追加の還元剤供給手段をバイパス通路の流入端と追加のＮＯＸ触媒間のバイパス通路内に配置し、追加のＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し追加のＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために追加の還元剤供給手段から追加のＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給すると共に、このとき追加のＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が追加のＮＯＸ触媒の温度に応じて異なるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
排気ガスがＮＯＸ触媒内にその一端面から流入し順流方向に流通した後その他端面から流出するように排気ガスを案内する順流位置と、排気ガスがＮＯＸ触媒内にその他端面から流入し逆流方向に流通した後その一端面から流出するように排気ガスを案内する逆流位置との間を切り替え可能な切替弁を具備し、切替弁が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられるときに、バイパス通路内に流入する排気ガスの量が次第に増大しその分だけＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が次第に減少し、次いでＮＯＸ触媒内における排気ガス流れの向きが反転した後にＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が次第に増大しその分だけバイパス通路内に流入する排気ガスの量が次第に減少するようになっており、順流方向の排気ガス流れに関してＮＯＸ触媒上流に位置する排気通路内に前記還元剤供給手段が設けられている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
切替弁が順流位置に保持されているときに還元剤供給手段からＮＯＸ触媒内に還元剤を供給するか、切替弁が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に還元剤供給手段からＮＯＸ触媒内に還元剤を供給するかを、ＮＯＸ触媒の温度に応じて切り替えるようにした請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
切替弁が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給すると共に、基準時期から還元剤が供給されるまでの時間間隔をＮＯＸ触媒の温度に応じて設定した請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１４】
切替弁が弱順流位置に保持されると排気ガスの一部がバイパス通路内に流入し排気ガスの残りがＮＯＸ触媒内に順流方向に流入するようになっており、切替弁を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる途中で切替弁を弱順流位置に一時的に保持して切替弁が該弱順流位置に保持されているときに還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにすると共に、基準位置に対する該弱順流位置の位置をＮＯＸ触媒の温度に応じて設定した請求項１１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】
リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためにＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給する還元剤供給弁を、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に配置し、ＮＯＸ触媒を迂回するバイパス通路が設けられると共に、バイパス通路内に流入する排気ガスの量が機関運転状態に応じて変更されることによりＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が機関運転状態に応じて変更されるようになっており、バイパス通路内に流入する排気ガスの量が一時的に増大されＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が一時的に減少するとき、還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。
【０００３】
このようにすると、排気ガスがバイパス通路内に流入するのが阻止されほぼ全ての排気ガスがＮＯＸ触媒内に流入するときに還元剤を供給する場合に比べて、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な還元剤の量を低減することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１７３３８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯＸ触媒内に供給された還元剤はＮＯＸ触媒内でＮＯＸや酸素と発熱反応するので、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を減少させることによって、ＮＯＸ触媒の温度を上昇させることができ或いはＮＯＸ触媒の温度が低下するのを阻止することができる。
【０００６】
しかしながら、上述したようにＮＯＸ触媒内に供給される還元剤の量を低減すると、ＮＯＸ触媒の温度を上昇させることができなくなり或いはＮＯＸ触媒の温度が低下するのを阻止できなくなり、その結果ＮＯＸ触媒を速やかに活性化することができず或いはＮＯＸ触媒の活性が失われる恐れがあるという問題点がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、ＮＯＸ触媒を速やかに活性化し又はＮＯＸ触媒の活性を高く維持することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためにＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給する還元剤供給手段を、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯＸ触媒を迂回するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路内に流入する排気ガスの量が変更されることによりＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が変更されるようになっており、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤が供給されるときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量がＮＯＸ触媒の温度に応じて異なるようにしている。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、ＮＯＸ触媒の温度が低いときには高いときに比べて、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が多くなるようにしている。
【００１０】
また、３番目の発明によれば１番目又は２番目の発明において、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が多いときには少ないときに比べて、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に供給される還元剤の量が多くなるようにしている。
【００１１】
また、４番目の発明によれば２番目の発明において、ＮＯＸ触媒の温度が予め定められた設定温度よりも低いときには、排気ガスがバイパス通路内に流入するのが阻止されてほぼ全ての排気ガスがＮＯＸ触媒内に流入するときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給し、ＮＯＸ触媒の温度が設定温度よりも高いときには、排気ガスの一部がバイパス通路内に流入してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が減少されているときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにしている。
【００１２】
また、５番目の発明によれば４番目の発明において、ＮＯＸ触媒の温度がＮＯＸ浄化能下限温度を越えて低下するとＮＯＸ触媒のＮＯＸ浄化能が許容下限値を越えて低下するようになっており、前記設定温度をＮＯＸ触媒のＮＯＸ浄化能下限温度に設定している。
【００１３】
また、６番目の発明によれば４番目の発明において、流入する排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に前記ＮＯＸ触媒が担持されており、ＮＯＸ触媒の温度が微粒子酸化能下限温度を越えて低下するとＮＯＸ触媒の微粒子酸化能が許容下限値を越えて低下するようになっており、前記設定温度をＮＯＸ触媒の微粒子酸化能下限温度に設定している。
【００１４】
また、７番目の発明によれば２番目の発明において、内燃機関が始動されてからの経過時間が予め定められた設定時間よりも短いときには、排気ガスがバイパス通路内に流入するのが阻止されてほぼ全ての排気ガスがＮＯＸ触媒内に流入するときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給し、内燃機関が始動されてからの経過時間が設定時間を越えた後には、排気ガスの一部がバイパス通路内に流入してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が減少されているときに、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにしている。
【００１５】
また、８番目の発明によれば１番目の発明において、バイパス通路内に流入する排気ガスの量が機関運転状態に応じて変更されることによりＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が機関運転状態に応じて変更されるようになっている。
【００１６】
また、９番目の発明によれば１番目の発明において、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤が供給されるときにバイパス通路内に流入する排気ガスの量をＮＯＸ触媒の温度に応じて変更することにより、還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤が供給されるときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量をＮＯＸ触媒の温度に応じて変更する排気ガス量変更手段を具備している。
【００１７】
また、１０番目の発明によれば１番目の発明において、前記バイパス通路内に追加のＮＯＸ触媒を配置し、追加のＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための追加の還元剤供給手段をバイパス通路の流入端と追加のＮＯＸ触媒間のバイパス通路内に配置し、追加のＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し追加のＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために追加の還元剤供給手段から追加のＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給すると共に、このとき追加のＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が追加のＮＯＸ触媒の温度に応じて異なるようにしている。
【００１８】
また、１１番目の発明によれば１番目の発明において、排気ガスがＮＯＸ触媒内にその一端面から流入し順流方向に流通した後その他端面から流出するように排気ガスを案内する順流位置と、排気ガスがＮＯＸ触媒内にその他端面から流入し逆流方向に流通した後その一端面から流出するように排気ガスを案内する逆流位置との間を切り替え可能な切替弁を具備し、切替弁が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられるときに、バイパス通路内に流入する排気ガスの量が次第に増大しその分だけＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が次第に減少し、次いでＮＯＸ触媒内における排気ガス流れの向きが反転した後にＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が次第に増大しその分だけバイパス通路内に流入する排気ガスの量が次第に減少するようになっており、順流方向の排気ガス流れに関してＮＯＸ触媒上流に位置する排気通路内に前記還元剤供給手段が設けられている。
【００１９】
また、１２番目の発明によれば１１番目の発明において、切替弁が順流位置に保持されているときに還元剤供給手段からＮＯＸ触媒内に還元剤を供給するか、切替弁が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に還元剤供給手段からＮＯＸ触媒内に還元剤を供給するかを、ＮＯＸ触媒の温度に応じて切り替えるようにしている。
【００２０】
また、１３番目の発明によれば１１番目の発明において、切替弁が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給すると共に、基準時期から還元剤が供給されるまでの時間間隔をＮＯＸ触媒の温度に応じて設定している。
【００２１】
また、１４番目の発明によれば１１番目の発明において、切替弁が弱順流位置に保持されると排気ガスの一部がバイパス通路内に流入し排気ガスの残りがＮＯＸ触媒内に順流方向に流入するようになっており、切替弁を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる途中で切替弁を弱順流位置に一時的に保持して切替弁が該弱順流位置に保持されているときに還元剤供給手段からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにすると共に、基準位置に対する該弱順流位置の位置をＮＯＸ触媒の温度に応じて設定している。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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することもできる。
【００２３】
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は排気ポートをそれぞれ示す。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の出口に連結され、コンプレッサ１５の入口には吸気管１５ａが連結される。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、更に吸気ダクト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。
【００２４】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管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の出口は排気管２０ａを介して触媒コンバータ２２に接続される。
【００２５】
図１と共に図２を参照すると、触媒コンバータ２２はステップモータ６０により駆動される切替弁６１を具備し、この切替弁６１の流入ポート６２に排気管２０ａの出口が接続される。また、流入ポート６２に対向する切替弁６１の流出ポート６３には触媒コンバータ２２の排気ガス排出管６４が接続される。切替弁６１は更に、流入ポート６２及び流出ポート６３を結ぶ直線の両側において互いに対向する一対の流入流出ポート６５，６６を有しており、これら流入流出ポート６５，６６には触媒コンバータ２２の環状排気管６７の両端がそれぞれ接続される。なお、排気ガス排出管６４の出口には排気管２３が接続される。
【００２６】
環状排気管６７は排気ガス排出管６４を貫通して延びており、環状排気管６７の排気ガス排出管６４内に位置する部分にはフィルタ収容室６８が形成される。このフィルタ収容室６８内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ６９が収容される。なお、図２において６９ａ及び６９ｂはパティキュレートフィルタ６９の一端面及び他端面をそれぞれ示している。
【００２７】
パティキュレートフィルタ６９の一端面６９ａを含む触媒コンバータ２２の部分縦断面図を示す図２（Ａ）、及び触媒コンバータ２２の部分横断面図を示す図２（Ｂ）に示されるように、パティキュレートフィルタ６９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ガス通路７０，７１を具備する。これら排気ガス通路は一端が開放されかつ他端がシール材７２により閉塞されている排気ガス通路７０と、他端が開放されかつ一端がシール材７３により閉塞されている排気ガス通路７１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分はシール材７３を示している。これら排気ガス通路７０，７１は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁７４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路７０，７１は各排気ガス通路７０が４つの排気ガス通路７１によって包囲され、各排気ガス通路７１が４つの排気ガス通路７０によって包囲されるように配置される。
【００２８】
パティキュレートフィルタ６９上には後述するようにＮＯＸ触媒８１が担持されている。一方、切替弁６１の流出ポート６３と環状排気管６７が貫通している部分との間の排気ガス排出管６４内には触媒収容室７５が形成されており、この触媒収容室７５内にはハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する補助触媒７６が収容される。この場合、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比はパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比に一致し、ＮＯＸ触媒８１の温度もパティキュレートフィルタ６９の温度に一致する。
【００２９】
また、切替弁６１の流入流出ポート６５とＮＯＸ触媒８１間の環状排気管６７にはＮＯＸ触媒８１に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁７７が取り付けられる。還元剤供給弁７７には電気制御式の還元剤ポンプ７８から還元剤が供給される。本発明による実施例では還元剤として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。なお、本発明による実施例では流入流出ポート６６とＮＯＸ触媒８１間の環状排気管６７に還元剤供給弁が配置されていない。
【００３０】
更に図１を参照すると、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と称す）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。
【００３１】
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。
【００３２】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。吸気管１５ａには吸入空気の質量流量をを検出するためのエアフロメータ４９が取り付けられ、排気管２０ａには排気管２０ａ内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ５０が取り付けられる。また、パティキュレートフィルタ６９の例えば中央部にはパティキュレートフィルタ６９の温度を検出するための温度センサ５１が取り付けられ、アクセルペダル５２にはアクセルペダル５２の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５３が接続される。アクセルペダル５２の踏み込み量Ｌは要求負荷を表している。燃料圧センサ２９、エアフロメータ４９、圧力センサ５０、温度センサ５１、及び負荷センサ５３の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５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５４が接続される。
【００３３】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８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、燃料ポンプ２８、切替弁駆動用ステップモータ６０、還元剤供給弁７７、及び還元剤剤ポンプ７８にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。
【００３４】
切替弁６１は通常、図３（Ｂ）において実線で示される位置と破線で示される位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁６１が図３（Ｂ）において実線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６６との連通が遮断されながら流入流出ポート６５に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６６に連通される。その結果、図３（Ｂ）において実線の矢印で示されるように排気管２０ａ内を流通する全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６５を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６６及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排出管６４内に流出する。
【００３５】
これに対し、切替弁６１が図３（Ｂ）において破線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６５との連通が遮断されながら流入流出ポート６６に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６５に連通される。その結果、図３（Ｂ）において破線の矢印で示されるように排気管２０ａ内を流通する全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６６を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６５及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排出管６４内に流出する。
【００３６】
このように切替弁６１の位置を切り替えることによって環状排気管６７内における排気ガスの流れが反転する。言い換えると、排気ガスがＮＯＸ触媒８１内にその一端面を介し流入しＮＯＸ触媒８１からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はＮＯＸ触媒８１内にその他端面を介し流入しＮＯＸ触媒８１からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替え可能になっている。以下では、図３（Ｂ）において実線で示される排気ガスの流れを順流と称し、破線で示される排気ガスの流れを逆流と称することにする。また、図３（Ｂ）において実線で示される切替弁６１の位置を順流位置と称し、破線で示される切替弁６１の位置を逆流位置と称する。
【００３７】
流出ポート６６を介し排気ガス排出管６４内に流出した排気ガスは図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、次いで触媒７６を通過し、環状排気管６７の外周面に沿いつつ進行した後に排気管２３内に流出する。
【００３８】
パティキュレートフィルタ６９における排気ガスの流れを説明すると、順流時には排気ガスは一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは一端面６９ａ内に開口している排気ガス通路７０内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７１内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは他端面６９ｂ内に開口している排気ガス通路７１内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７０内に流出する。
【００３９】
ここで、パティキュレートフィルタ６９は環状排気管６７のほぼ中央部に配置されており、即ち切替弁６１の流入ポート６２からパティキュレートフィルタ６９までの距離と、パティキュレートフィルタ６９から流出ポート６３までの距離とが切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらない。
【００４０】
パティキュレートフィルタ６９の隔壁７４上即ち例えば隔壁７４の両側面及び細孔内壁面上には、図４に示されるようにＮＯＸ触媒８１がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒８１は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００４１】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００４２】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００４３】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２−又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３−の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００４４】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３−→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３−がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００４５】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能であると考えられている。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００４６】
一方、補助触媒７６は本発明による実施例では、アルカリ金属、アルカリ土類、及び希土類を含むことなく貴金属例えば白金Ｐｔを含む貴金属触媒から形成される。しかしながら、補助触媒７６を上述したＮＯＸ触媒から形成してもよい。
【００４７】
ところで、本発明による実施例では、切替弁６１が機関運転状態に応じて順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられ、具体的には例えば要求負荷Ｌがゼロになると切り替えられる。これは次の理由による。
【００４８】
図５は切替弁６１が切り替えられるときのＮＯＸ触媒８１内に順流方向に流入する排気ガスの量ＱＥの経時変化を示している。図５において、矢印Ｘは切替弁６１を切り替えるべき信号が発せられた時期を示しており、実線は切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられる場合を示しており、破線は切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられる場合を示している。また、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの方向が順流方向のときには排気ガス量ＱＥは正値となり、逆流方向のときには負値となる。更に、図５に示される例では、切替弁６１が順流位置にあるときの排気ガス量ＱＥが１００で表わされ、逆流位置にあるときの排気ガス量ＱＥが−１００で表わされている。
【００４９】
切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられる場合を例にとって説明する。切替弁６１が逆流位置から順流位置に向けて変位されると、流入ポート６２が流入流出ポート６５だけでなく流出ポート６３にも直接的に接続され、このため流入ポート６２内に流入した排気ガスの一部がＮＯＸ触媒８１を迂回するようになる。切替弁６１が順流位置に向かうにつれて、ＮＯＸ触媒８１を迂回する排気ガスの量が次第に増大し、その分だけＮＯＸ触媒８１内に逆流方向に流入する排気ガスの量ＱＥが次第に減少する。次いで、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスＱＥの量が一旦ゼロになった後に、ＮＯＸ触媒８１内における排気ガス流れの向きが反転し、ＮＯＸ触媒８１内に順流方向に流入する排気ガスの量ＱＥが次第に増大し、その分だけＮＯＸ触媒８１を迂回する排気ガスの量が次第に減少する。切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられるときも同様である。このように切替弁６１の流入ポート６２から流出ポート６３までの排気ガス流路はパティキュレートフィルタ６９を迂回するバイパス通路として作用しうる。
【００５０】
従って、切替弁６１が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられると、排気ガスが一時的にＮＯＸ触媒８１を迂回することになる。そこで本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒８１を迂回する排気ガスの量ができるだけ少なくなるように、要求負荷Ｌがゼロのときに切替弁６１を切り替えるようにしている。その結果、パティキュレートフィルタ６９及びＮＯＸ触媒８１を迂回する微粒子及びＮＯＸの量を低減することができる。
【００５１】
さて、上述したように切替弁６１が順流位置にあろうと逆流位置にあろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ６９を通過する。また、図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯＸはパティキュレートフィルタ６９上のＮＯＸ触媒８１内に蓄えられる。
【００５２】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときに、ＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになるように、還元剤供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に還元剤を一時的に供給する還元剤供給作用を行うようにしている。なお、蓄積ＮＯＸ量は例えば機関運転状態に基づいて求めることができる。
【００５３】
一方、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ６９上に捕集される。即ち、概略的に説明すると、順流時には排気ガス通路７０側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集され、逆流時には排気ガス通路７１側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、また、ＮＯＸ触媒８１は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ６９上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００５４】
この場合、上述したＮＯＸ触媒８１のＮＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒８１内にＮＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ６９上にＮＯＸ触媒８１を担持させると、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００５５】
ここで、ＮＯＸ触媒８１内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるための還元剤供給作用について、図６を参照しながら詳しく説明する。
【００５６】
本発明による実施例では、図６に矢印Ｙ１で示されるように、蓄積ＮＯＸ量ＱＮが第１の許容量ＱＮ１を越えても直ちに還元剤供給作用が行われず、次いで矢印Ｙ２で示されるように要求負荷Ｌがゼロになって切替弁６１が切り替えられるときに、還元剤供給作用が行われる。その結果、図６に示されるように排気ガスの空燃比ＡＦＮが一時的にリッチに切り替えられ、蓄積ＮＯＸ量ＱＮが例えばゼロまで減少される。
【００５７】
次いで、図６に矢印Ｙ３で示されるように、要求負荷Ｌが再びゼロになると切替弁６１が切り替えられ、しかしながらこのとき蓄積ＮＯＸ量ＱＮは第１の許容量ＱＮ１よりも少ないので、還元剤供給作用は行われない。次いで、図６に矢印Ｙ４で示されるように蓄積ＮＯＸ量ＱＮが再び第１の許容量ＱＮ１を越えても直ちには還元剤供給作用が行われず、このため蓄積ＮＯＸ量ＱＮは次第に増大する。
【００５８】
次いで、矢印Ｙ５で示されるように蓄積ＮＯＸ量ＱＮが第２の許容量ＱＮ２（＞ＱＮ１）よりも多くなると、要求負荷Ｌがゼロでなくても、還元剤供給作用が行われる。その結果、ＮＯＸ触媒８１がＮＯＸで飽和するのが阻止される。
【００５９】
このようにＮＯＸ触媒８１の蓄積ＮＯＸ量ＱＮが第１の許容量ＱＮ１よりも多くかつ第２の許容量ＱＮ２よりも少ないときには、図６に矢印Ｙ２で示されるように切替弁６１が切り替えられるときに還元剤供給作用が行われる。
【００６０】
本発明による各実施例では、この還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量がＮＯＸ触媒８１の温度Ｔに応じて異なるようになっている。次に、本発明による第１から第４実施例を順次説明する。
【００６１】
本発明による第１実施例では、切替弁６１が切り替えられる過渡時に還元剤供給作用が行われる過渡供給と、切替弁６１が順流位置にあるときに還元剤供給作用が行われる順流供給とがＮＯＸ触媒８１の温度Ｔに応じて選択的に切り替えられる。
【００６２】
まず、過渡供給について説明する。図５を参照して上述したように、切替弁６１が切り替えられる過渡時には、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥが一時的に減少する。従って、このとき還元剤供給作用を行えば、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮをリッチに切り替えるのに必要な還元剤の量を低減することができる。また、このときＮＯＸ触媒８１内における排気ガスの空間速度が低下するのでＮＯＸ触媒８１内における還元剤の滞留時間が長くなり、従って還元剤を有効に利用できることにもなる。これが過渡供給の考え方である。
【００６３】
詳しく説明すると、切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられる場合には、図７（Ａ）に矢印ＲＴで示されるように、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥが一旦ゼロになった後に増大していく途中で、還元剤供給作用が行われる。この場合、基準時期例えば切替弁６１を切り替えるべき信号が発せられた時期Ｘから還元剤供給作用が行われるまでの時間間隔がｔＲＦで表されている。一方、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられる場合には、図７（Ｂ）に矢印ＲＴで示されるように、ＮＯＸ触媒８１内に順流方向に流入する排気ガスの量ＱＥが減少していく途中で、還元剤が供給される。この場合の時間間隔がｔＦＲで表されている。このように排気ガスの一部がＮＯＸ触媒８１内に流入しているときに還元剤供給作用が行われる。
【００６４】
これに対し、順流供給では切替弁６１が順流位置にあるときに還元剤供給作用が行われる。即ち、切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられる場合には、図７（Ａ）に矢印ＲＦで示されるように、切替弁６１が順流位置に切り替えられた後に還元剤が供給される。一方、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられる場合には、図７（Ｂ）に矢印ＲＦで示されるように、切替弁６１が逆流位置に切り替えられる前に還元剤供給作用が行われる。このようにほぼ全ての排気ガスがＮＯＸ触媒８１内に流入しているときに還元剤供給作用が行われる。
【００６５】
図７に示される例では、過渡供給が行われる場合には、還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥが小さなＱＥＴになっており、この場合にＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比を例えば一定のリッチ空燃比にするのに必要な還元剤供給量ＱＲは比較的小さなＱＲＴに設定される。これに対し、順流供給が行われる場合には、還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥが大きなＱＥＦになっており、この場合の還元剤供給量ＱＲは比較的大きなＱＲＦ（＞ＱＲＴ）に設定される。
【００６６】
冒頭で述べたように、ＮＯＸ触媒８１内に供給された還元剤はＮＯＸ触媒８１内でＮＯＸや酸素と発熱反応し、このときの発熱量は還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥ及びＮＯＸ触媒８１に供給された還元剤の量ＱＲに依存し、即ちＱＥ及びＱＲが多くなると発熱量が多くなる。
【００６７】
従って、過渡供給を行うよりも順流供給を行えば、ＮＯＸ触媒８１の温度Ｔを上昇させることができ或いはＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが低下するのを阻止することができることになる。
【００６８】
そこで本発明による第１実施例では、ＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが予め定められた設定温度ＴＳよりも低いときには順流供給を行い、ＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが設定温度ＴＳよりも高いときには過渡供給を行うようにしている。
【００６９】
一般的に言うと、ＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが低いときには高いときに比べて、還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に順流方向に流入する排気ガスの量ＱＥが多くなるようにしているということになる。
【００７０】
図８（Ａ）はＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化能を示しており、即ちＮＯＸ触媒８１の温度ＴがＮＯＸ浄化能下限温度ＴＬＮを越えて低下すると、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化能が許容下限値ＡＬＮを越えて低下する。従って、上述した設定温度ＴＳをこのＮＯＸ浄化能下限温度ＴＬＮに設定すれば、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化能を速やかに許容下限値ＡＬＮ以上に上昇させることができ、或いは許容下限値ＡＬＮ以上に維持することができることになる。
【００７１】
また、図８（Ｂ）はＮＯＸ触媒８１の微粒子酸化能を示しており、即ちＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが微粒子酸化能下限温度ＴＬＰＭを越えて低下すると、ＮＯＸ触媒８１の微粒子酸化能が許容下限値ＡＬＰＭを越えて低下する。従って、上述した設定温度ＴＳをこの微粒子酸化能下限温度ＴＬＰＭに設定すれば、ＮＯＸ触媒８１の微粒子酸化能を速やかに許容下限値ＡＬＰＭ以上に上昇させることができ、或いは許容下限値ＡＬＰＭ以上に維持することができることになる。
【００７２】
一方、逆の見方をすれば、順流供給を行うよりも過渡供給を行えば、ＮＯＸ触媒８１の温度上昇を抑制することができる。即ち、図８（Ａ）に示されるようにＮＯＸ触媒８１の温度ＴがＮＯＸ浄化能上限温度ＴＵＮを越えて上昇すると、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化能が許容下限値ＡＬＮを越えて低下する。従って、上述した設定温度ＴＳをこのＮＯＸ浄化能上限温度ＴＵＮに設定すれば、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化能を許容下限値ＡＬＮ以上に維持することができる。
【００７３】
図９は上述した本発明による実施例を実行するための排気浄化制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００７４】
図９を参照すると、まずステップ１００では、要求負荷Ｌがゼロになった否か、即ち切替弁６１を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えるべきか否かが判別される。要求負荷Ｌがゼロになったときには次いでステップ１０１に進み、ＮＯＸ触媒８１の蓄積ＮＯＸ量ＱＮが第１の許容量ＱＮ１よりも多いか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮ１のときには次いでステップ１０２に進み、切替弁６１が切り替えられ、還元剤供給作用は行われない。
【００７５】
これに対し、ＱＮ＞ＱＮ１のときには次いでステップ１０３に進み、還元剤供給制御ルーチンが実行される。本発明による第１実施例の還元剤供給制御ルーチンが図１０に示されている。
【００７６】
図１０を参照すると、まずステップ１２０ではＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが設定温度ＴＳよりも低いか否かが判別される。Ｔ＜ＴＳのときには次いでステップ１２１に進み、還元剤供給量ＱＲが比較的大きなＱＲＦとされる。続くステップ１２２では切替弁６１が切り替えられると共に順流供給が行われる。即ち、切替弁６１が逆流位置にある場合には切替弁６１が順流位置に切り替えられ、次いでＱＲだけ還元剤が供給される。切替弁６１が順流位置にある場合にはＱＲだけ還元剤が供給され、次いで切替弁６１が順流位置に切り替えられる。
【００７７】
これに対し、Ｔ≧ＴＳのときには次いでステップ１２３に進み、還元剤供給量ＱＲが比較的小さなＱＲＴとされる。続くステップ１２４では切替弁６１が切り替えられると共に過渡供給が行われる。即ち、切替弁６１が切り替えられる過渡時に還元剤供給作用が行われる。
【００７８】
再び図９を参照すると、要求負荷Ｌがゼロになったときでないときにはステップ１００からステップ１０４に進み、蓄積ＮＯＸ量ＱＮが第２の許容量ＱＮ２よりも多いか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮ２のときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮ２のときには次いでステップ１０５に進み、現在切替弁６１が順流位置にあるか否かが判別される。現在切替弁６１が順流位置にあるときには次いでステップ１０６に進んで還元剤供給量ＱＲを算出した後に、ステップ１０７に進んで順流供給が行われる。これに対し、現在切替弁６１が逆流位置にあるときには次いでステップ１０８に進んで還元剤供給量ＱＲを算出した後に、ステップ１０９に進んで過渡供給が行われる。
【００７９】
即ち、ステップ１０４からステップ１０５に進んだときには切替弁６１を切り替えるべきときではないので、切替弁６１が順流位置にある場合には順流供給が行われる。また、このとき内燃機関から比較的多量の排気ガスが排出されているので、切替弁６１が逆流位置にある場合には還元剤供給量ＱＲが少ない過渡供給が行われる。なお、ステップ１０６及びステップ１０８では、例えば吸入空気量に基づいて還元剤供給量ＱＲが算出される。
【００８０】
次に、本発明による第２実施例を説明する。
【００８１】
機関が始動されてからの経過時間ｔＤが比較的短いときにはＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが低く、経過時間ｔＤが長くなるとＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが上昇する。従って、経過時間ｔＤが短いときに順流供給を行えば、ＮＯＸ触媒８１の温度Ｔを速やかに上昇させることができる。
【００８２】
本発明による第２実施例では、経過時間ｔＤが予め定められた設定時間ｔＤＳよりも短いときには順流供給を行い、経過時間ｔＤが設定時間ｔＤＳよりも長くなった後には過渡供給を行うようにしている。なお、機関が始動されてから、ＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが図８を参照して上述したＮＯＸ浄化能下限温度ＴＬＮ又は微粒子酸化能下限温度ＴＬＰＭになるまでの所要時間を予め実験により求めておき、この所要時間を設定時間ｔＤＳとすることもできる。
【００８３】
図１１は本発明による第２実施例の還元剤供給制御ルーチンを示している。このルーチンは図９のステップ１０３で実行される。
【００８４】
図１１を参照すると、まずステップ１４０では機関が始動されてからの経過時間ｔＤが設定時間ｔＤＳよりも短いか否かが判別される。ｔＤ＜ｔＤＳのときには次いでステップ１４１に進み、還元剤供給量ＱＲが比較的大きなＱＲＦとされる。続くステップ１４２では切替弁６１が切り替えられると共に順流供給が行われる。これに対し、ｔＤ≧ｔＤＳのときには次いでステップ１４３に進み、還元剤供給量ＱＲが比較的小さなＱＲＴとされる。続くステップ１４４では切替弁６１が切り替えられると共に過渡供給が行われる。
【００８５】
次に、本発明による第３実施例を説明する。この第３実施例では、上述した過渡供給が行われ、順流供給は行われない。
【００８６】
過渡供給では、還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥＴは、基準時期例えば切替弁６１を切り替えるべき信号が発せられた時期Ｘから還元剤供給作用が行われるまでの時間間隔ｔＲＦ，ｔＦＲに依存する。即ち、切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられる場合には、図１２（Ａ）に示されるように時間間隔ｔＲＦが短くなると排気ガス量ＱＥＴが少なくなり、図１２（Ｂ）に示されるように時間間隔ｔＲＦが長くなると排気ガス量ＱＥＴが多くなる。また、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられる場合には、時間間隔ｔＦＲが短くなると排気ガス量ＱＥＴが多くなり、時間間隔ｔＦＲが長くなると排気ガス量ＱＥＴが少なくなる。
【００８７】
そこで本発明による第３実施例では、時間間隔ｔＲＦ，ｔＦＲをＮＯＸ触媒８１の温度Ｔに応じて設定するようにしている。具体的には、図１３に示されるように、切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられる場合の時間間隔ｔＲＦがＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが低くなるにつれて長くなるようにし、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられる場合の時間間隔ｔＦＲがＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが低くなるにつれて短くなるようにしている。
【００８８】
この場合の還元剤供給量ＱＲが図１４に示されている。即ち、図１４（Ａ）に示されるように時間間隔ｔＲＦが長くなるにつれて還元剤供給量ＱＲが多くなり、図１４（Ｂ）に示されるように時間間隔ｔＦＲが短くなるにつれて還元剤供給量ＱＲが多くなる。従って、還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥＴが多くなるにつれて還元剤供給量ＱＲが多くなる。
【００８９】
図１５は本発明による第３実施例の還元剤供給制御ルーチンを示している。このルーチンは図９のステップ１０３で実行される。
【００９０】
図１５を参照すると、まずステップ１６０では現在の切替弁６１の位置に応じて時間間隔ｔＦＲ又はｔＲＦが図１３のマップから算出される。続くステップ１６１では、図１４のマップから還元剤供給量ＱＲが算出される。続くステップ１６２では切替弁６１が切り替えられると共に過渡供給が行われる。即ち、切替弁６１を切り替えるべき信号が発せられた時期Ｘから時間間隔ｔＦＲ，ｔＲＦだけ経過したときに還元剤が還元剤供給量ＱＲだけ供給される。
【００９１】
次に、本発明による第４実施例を説明する。
【００９２】
これまで述べてきた過渡供給では、切替弁６１が順流位置から逆流位置に又はその逆に連続的に切り替えられ、その途中で還元剤供給作用が行われる。
【００９３】
これに対し、本発明による第４実施例では、切替弁６１が弱順流位置に一時的に保持され、切替弁６１が弱順流位置に保持されているときに還元剤供給作用を行う弱順流供給が行われる。切替弁６１が弱順流位置に保持されると、図１６に矢印で示されるように排気ガスの大部分が流入ポート６２から流出ポート６３を介し直接的に排気ガス排出管６４内に流出し即ちＮＯＸ触媒８１を迂回し、残りのわずかな一定量の排気ガスが流入流出ポート６５を介し環状排気管６７内に流入し、次いでＮＯＸ触媒８１内を順流方向に流通する。この弱順流供給を図１７を参照して詳しく説明する。
【００９４】
図１７は弱順流供給が行われるときの切替弁６１の位置ＶＰ及びＮＯＸ触媒８１内に順流方向に流入する排気ガスの量ＱＥの経時変化を、図５と同様に示す図である。
【００９５】
更に、切替弁位置ＶＰは基準位置、例えばほぼ全ての排気ガスがＮＯＸ触媒８１を迂回する全バイパス位置に対する切替弁６１の位置を表しており、切替弁６１が全バイパス位置と順流位置間にあるときには切替弁位置ＶＰは正値となり、全バイパス位置から順流位置に近づくにつれて大きくなる。また、切替弁６１が全バイパス位置と逆流位置間にあるときには切替弁位置ＶＰは負値となり、全バイパス位置から逆流位置に近づくにつれて小さくなる。
【００９６】
切替弁６１が例えば逆流位置から順流位置に切り替えられる場合には、図１７に示されるように、切替弁６１が逆流位置から弱順流位置ＷＦまで移動されて弱順流位置ＷＦに一時的に保持され、次いで目的位置である順流位置まで移動される。その結果、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥがわずからＱＥＷＦに一時的に保持され、このとき矢印Ｒで示されるように還元剤供給作用が行われる。この場合、切替弁６１を切り替えるべき信号が発せられた時期Ｘから還元剤供給作用が行われるまでの時間間隔がｔＷＦで表されている。切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられるときも同様である。
【００９７】
還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥＷＦは弱順流位置ＷＦに依存し、即ち弱順流位置ＷＦが小さくなるにつれて排気ガス量ＱＥＷＦが少なくなる。図１８（Ａ）は弱順流位置ＷＦが小さい場合を示しており、図１８（Ｂ）は弱順流位置ＷＦが大きい場合を示している。
【００９８】
そこで本発明による第４実施例では、弱順流位置ＷＦをＮＯＸ触媒８１の温度Ｔに応じて設定するようにしている。具体的には、図１９に示されるように、弱順流位置ＷＦがＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが低くなるにつれて大きくなるようにしている。
【００９９】
この場合の還元剤供給量ＱＲは図２０に示されるように、弱順流位置ＷＦが大きくなるにつれて還元剤供給量ＱＲが多くなる。従って、還元剤供給作用が行われるときにＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量ＱＥＷＦが多くなるにつれて還元剤供給量ＱＲが多くなる。
【０１００】
図２１は本発明による第４実施例の還元剤供給制御ルーチンを示している。このルーチンは図９のステップ１０３で実行される。
【０１０１】
図２１を参照すると、まずステップ１８０では弱順流位置ＷＦが図１９のマップから算出される。続くステップ１８１では、図２０のマップから還元剤供給量ＱＲが算出される。続くステップ１８２では切替弁６１が切り替えられると共に弱順流供給が行われる。即ち、切替弁６１が弱順流位置ＷＦに一時的に保持され、このとき還元剤が還元剤供給量ＱＲだけ供給される。
【０１０２】
これまで述べてきた本発明による各実施例は図２２及び図２４に示される内燃機関にも適用することができる。
【０１０３】
図２２に示される内燃機関では、排気管２０ａの出口にケーシング１６８が接続され、このケーシング１６８は排気管２０ｃを介してケーシング１７５に接続され、ケーシング１７５は排気管２３に接続される。これらケーシング１６８，１７５内にはＮＯＸ触媒８１を担持したパティキュレートフィルタ６９、及び補助触媒７６がそれぞれ収容される。
【０１０４】
排気管２０ａからバイパス管１８５が分岐されており、このバイパス管１８５の流出端は排気管２０ｃに開口している。また、バイパス管１８５の流入端が開口している排気管２０ａの部分には、図示しない電子制御ユニットによって制御される切替弁１６１が配置される。更に、バイパス管１８５の流入端とパティキュレートフィルタ６９間の排気管２０ａに還元剤供給弁７７が配置される。
【０１０５】
切替弁１６１は通常、図２３に実線で示される通常位置に保持される。切替弁１６１がこの通常位置に保持されると、バイパス管１８５が遮断され、排気管２０ａ内に流入したほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内に導かれる。従って、切替弁１６１の通常位置は図１の内燃機関における切替弁６１の順流位置又は逆流位置に相当する。
【０１０６】
切替弁１６１が図２３に一点鎖線で示される弱流位置に保持されると、排気管２０ａ内に流入した排気ガスのわずかな一部がパティキュレートフィルタ６９内に導かれ残りの排気ガスがバイパス管１８５内に導かれる。従って、切替弁１６１の弱流位置は図１の内燃機関における切替弁６１の弱順流位置に相当する。なお、切替弁１６１が図２３に破線で示されるバイパス位置に保持されると、バイパス管１８５が開放され、排気管２０ａ内に流入したほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ６９を迂回する。従って、切替弁１６１のバイパス位置は図１の内燃機関における切替弁６１の全バイパス位置に相当する。
【０１０７】
この場合、例えばＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが低いときには切替弁１６１が通常位置にあるときに還元剤供給作用を行い、ＮＯＸ触媒８１の温度Ｔが高いときには切替弁１６１が通常位置からバイパス位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に還元剤供給作用を行うことができる。
【０１０８】
一方、図２４に示される内燃機関では、排気管２０ａが一対の枝管９１’，９１”を有するＹ字管から形成され、各枝管の出口にはケーシング６８’，６８”がそれぞれ接続される。これらケーシング６８’，６８”は排気管２０ｃの枝管９２’，９２”に接続され、排気管２０ｃを介してケーシング１７５に接続される。ケーシング１７５は排気管２３に接続される。これらケーシング６８’，６８”内には第１及び第２のパティキュレートフィルタ６９’，６９”がそれぞれ収容され、ケーシング１７５内には補助触媒７６が収容される。なお、第１及び第２のパティキュレートフィルタ６９’，６９”上にはそれぞれ第１及び第２のＮＯＸ触媒８１’，８１”が担持されている。
【０１０９】
排気管２０ｃの枝管内には共通のアクチュエータ２６０によって駆動される第１及び第２の切替弁６１’，６１”がそれぞれ配置される。また、排気管２０ａの枝管内には第１及び第２の還元剤供給弁７７’，７７”がそれぞれ配置される。なお、アクチュエータ２６０及び還元剤供給弁７７’，７７”は図示しない電子制御ユニットによって制御される。
【０１１０】
切替弁６１’，６１”は通常、図２５（Ａ）において実線で示される第１の通常位置か又は破線で示される第２の通常位置に保持される。切替弁６１’，６１”が第１の通常位置に保持されると、第１の切替弁６１’が全開位置に保持され、第２の切替弁６１”が全閉位置に保持され、従って図２５（Ａ）において実線の矢印で示されるように排気管２０ａ内に流入したほぼ全ての排気ガスが第１のＮＯＸ触媒６９’内に導かれる。一方、切替弁６１’，６１”が第２の通常位置に保持されると、第１の切替弁６１’が全閉位置に保持され、第２の切替弁６１”が全開位置に保持され、従って図２５（Ａ）において破線の矢印で示されるように排気管２０ａ内に流入したほぼ全ての排気ガスが第２のＮＯＸ触媒８１”内に導かれる。従って、切替弁６１’，６１”の第１及び第２の通常位置は図２２の内燃機関における切替弁１６１の通常位置又はバイパス位置に相当する。
【０１１１】
切替弁６１’，６１”が図２５（Ｂ）に実線で示される第１の弱流位置に保持されると、排気管２０ａ内に流入した排気ガスのわずかな一部が第１のＮＯＸ触媒８１’内に導かれ残りの排気ガスが第２のＮＯＸ触媒８１”内に導かれる。一方、切替弁６１’，６１”が図２５（Ｂ）に破線で示される第２の弱流位置に保持されると、排気管２０ａ内に流入した排気ガスのわずかな一部が第２のＮＯＸ触媒８１”内に導かれ残りの排気ガスが第１のＮＯＸ触媒８１’内に導かれる。このように切替弁６１’，６１”の弱流位置は図１の内燃機関における切替弁６１の弱順流位置に相当する。
【０１１２】
この場合、第１のＮＯＸ触媒８１’について見ると、例えば第１のＮＯＸ触媒８１’の温度が低いときには切替弁６１’，６１”が第１の通常位置にあるときに還元剤供給作用を行い、第１のＮＯＸ触媒８１’の温度が高いときには切替弁６１’，６１”が第１の通常位置から第２の通常位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に還元剤供給作用を行うことができる。また、第２のＮＯＸ触媒８１”について見ると、例えば第２のＮＯＸ触媒８１”の温度が低いときには切替弁６１’，６１”が第２の通常位置にあるときに還元剤供給作用を行い、第２のＮＯＸ触媒８１”の温度が高いときには切替弁６１’，６１”が第１の通常位置から第２の通常位置に又はその逆に切り替えられる過渡時に還元剤供給作用を行うことができる。
【０１１３】
従って、一般的に言うと、排気通路内にＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に還元剤供給弁を配置し、還元剤供給弁上流の排気通路から分岐して還元剤供給弁及びＮＯＸ触媒を迂回するバイパス通路を設け、バイパス通路内を流通する排気ガスの量を制御することによりＮＯＸ触媒内を流通する排気ガスの量を制御するための切替弁を設けているということになる。
【０１１４】
その上で、図１に示される内燃機関では、排気ガスがＮＯＸ触媒内にその一端面を介し流入しＮＯＸ触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はＮＯＸ触媒内にその他端面を介し流入しＮＯＸ触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えているということになる。
【０１１５】
また、図２４に示される内燃機関では、例えば排気管２０ａの枝管９１’から排気管２０ｃの枝管９２’までの排気通路部分に着目すると、排気管２０ａの枝管９１”から排気管２０ｃの枝管９２”までの排気通路部分はバイパス通路として作用すると見ることもできる。この場合、第２の還元剤供給弁７７”、第２のパティキュレートフィルタ６９”、第２のＮＯＸ触媒８１”はそれぞれ、バイパス通路内に配置された追加の還元剤供給弁、追加のパティキュレートフィルタ、追加のＮＯＸ触媒を構成しているということになる。
【０１１６】
【発明の効果】
ＮＯＸ触媒を速やかに活性化し又はＮＯＸ触媒の活性を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】触媒コンバータの構造を示す図である。
【図３】切替弁が順流位置又は逆流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図４】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図５】切替弁が切り替えられるときにＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスＱＥの経時変化を示す線図である。
【図６】還元剤供給作用を説明するための図である。
【図７】本発明による第１実施例を説明するための、図５と同様な線図である。
【図８】ＮＯＸ触媒の特性を示す線図である。
【図９】排気浄化制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】本発明による第１実施例の還元剤供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】本発明による第２実施例の還元剤供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】本発明による第３実施例を説明するための、図５と同様な線図である。
【図１３】時間間隔ｔＲＦ，ｔＦＲを示す線図である。
【図１４】還元剤供給量ＱＲを示す線図である。
【図１５】本発明による第３実施例の還元剤供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】切替弁が弱順流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図１７】本発明による第４実施例を説明するための図である。
【図１８】本発明による第４実施例を説明するための図である。
【図１９】弱順流位置ＷＦを示す線図である。
【図２０】還元剤供給量ＱＲを示す線図である。
【図２１】本発明による第４実施例の還元剤供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】本発明を適用可能な別の内燃機関を示す図である。
【図２３】図２２に示される内燃機関の切替弁の位置を説明するための図である。
【図２４】本発明を適用可能な別の内燃機関を示す図である。
【図２５】図２４に示される内燃機関の切替弁の位置を説明するための図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ…排気管
５１…温度センサ
６１…切替弁
６９…パティキュレートフィルタ
７７…還元剤供給弁
８１…ＮＯＸ触媒
【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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