(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気系に配置されて近傍雰囲気がリーン空燃比の時にＮＯXを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒装置と、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置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、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置へ排気上流側から還元物質を供給するための供給手段とを具備し、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置のＳＯX被毒回復のために、前記ＮＯX吸蔵還元触媒全体を第一設定温度へ昇温させる際に、前記供給手段によって前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼させる還元物質を供給すると共に前記逆転手段によって前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転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ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が前記第一設定温度以上となった時又は前記第一設定温度以上となったと予測される時には、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の近傍雰囲気が理論空燃比又はリッチ空燃比となるように前記供給装置によって還元物質を供給し、前記逆転手段による前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側との逆転を繰り返し、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置に担持された酸化触媒がシンタリングを起こす第二設定温度以上となった時又は前記第二設定温度以上となったと予測される時には、前記逆転手段による前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側との逆転を中止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ＮＯX吸蔵還元触媒装置は排気ガス中のパティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁によって捕集されたパティキュレートは酸化させられ、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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
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に形で放出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとＮＯXを酸素と結合させてＮＯXを保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると結合させたＮＯX及び酸素をＮＯXと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする請求項４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有害なＮＯXが含まれており、このＮＯXを浄化するために、機関排気系にＮＯX吸蔵還元触媒装置を配置することが提案されている。ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、近傍雰囲気の酸素濃度が高い時にＮＯXを硝酸塩の形で吸収し、近傍雰囲気の酸素濃度が低くなると吸収したＮＯXを放出するものである。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、空気過剰のもとで燃焼が行われるディーゼルエンジンの排気ガス中からＮＯXを良好に吸収し、定期的に近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＮＯXを放出させてＨＣ等の還元物質により還元浄化し、ＮＯXを大気中に放出させることなく良好に浄化することができる。
【０００３】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してＳＯXが生成される。ＳＯXは、ＮＯX吸蔵還元触媒装置へＮＯXと同様なメカニズムにより硫酸塩の形で吸収される。硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としてもＮＯX吸蔵還元触媒装置から放出され難く、吸蔵量が徐々に増加する。ＮＯX吸蔵還元触媒装置への硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、ＮＯX吸蔵還元触媒装置における硫酸塩の吸蔵量が増加すれば（以下、ＳＯX被毒と称する）、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くＮＯXを吸収することができなくなる。
【０００４】
従って、ＳＯX被毒されたＮＯX吸蔵還元触媒装置は回復させなければならない。硫酸塩は安定な物質であるが、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が６００°Ｃ程度の高温とされれば、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＳＯXとして放出させることができる。それにより、一般的には、ＳＯX被毒回復のために、酸素濃度が高い近傍雰囲気へ還元物質を供給し、この還元物質を燃焼させることにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度を６００°Ｃ程度に昇温させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうして供給される還元物質は、主にＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気入口部で燃焼してこの排気入口部を一旦は良好に昇温させる。しかしながら、この熱の多くは直ぐに排気ガス流と共に排気出口部へ移動するために、排気出口部は比較的良好に昇温させられても、排気入口部は温度低下して僅かに昇温するだけである。こうして、ＳＯX被毒回復のためにＮＯX吸蔵還元触媒装置全体を６００°Ｃ以上に昇温するには、比較的長い時間を必要とする。
【０００６】
従って、本発明の目的は、ＳＯX被毒回復のためのＮＯX吸蔵還元触媒装置全体の昇温を短時間で実現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である。
【０００７】
【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近傍雰囲気がリーン空燃比の時にＮＯXを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒装置と、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置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、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置へ排気上流側から還元物質を供給するための供給手段とを具備し、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置のＳＯX被毒回復のために、前記ＮＯX吸蔵還元触媒全体を第一設定温度へ昇温させる際に、前記供給手段によって前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼させる還元物質を供給すると共に前記逆転手段によって前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転することを特徴とする。
【０００８】
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ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が前記第一設定温度以上となった時又は前記第一設定温度以上となったと予測される時には、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の近傍雰囲気が理論空燃比又はリッチ空燃比となるように前記供給装置によって還元物質を供給し、前記逆転手段による前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側との逆転を繰り返し、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置に担持された酸化触媒がシンタリングを起こす第二設定温度以上となった時又は前記第二設定温度以上となったと予測される時には、前記逆転手段による前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側との逆転を中止す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ＮＯX吸蔵還元触媒装置は排気ガス中のパティキュレートを捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁によって捕集されたパティキュレートは酸化させられ、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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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。
【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４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に形で放出す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４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ＮＯXを酸素と結合させてＮＯXを保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると結合させたＮＯX及び酸素をＮＯXと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、燃料ポンプ２７、及び、切換部７１内の切換弁７１ａを作動する。この切換弁７１ａに関しては後述する。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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時に燃焼室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。
【００３５】
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時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、この時の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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、この時には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。
【００４０】
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、この時の平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
図１８は本実施例の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、排気マニホルド１７の下流側に排気管１８を介して接続された切換部７１と、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０と、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の一方側と切換部７１とを接続する第一接続部７２ａと、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の他方側と切換部７１とを接続する第二接続部７２ｂと、切換部７１の下流側の排気通路７３とを具備している。排気管１８には切換部７１の上流側へ燃料等の還元物質を供給するための燃料供給装置７４が設けられている。切換部７１は、切換部７１内で排気流れを遮断することを可能とする弁体７１ａを具備している。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駆動される。弁体７１ａの一方の遮断位置において、切換部７１内の上流側が第一接続部７２ａと連通されると共に切換部７１内の下流側が第二接続部７２ｂと連通され、排気ガスは、図１８に矢印で示すように、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の一方側から他方側へ流れる。
【００５７】
また、図２０は、弁体７１ａ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７１内の上流側が第二接続部７２ｂと連通されると共に切換部７１内の下流側が第一接続部７２ａと連通され、排気ガスは、図２０に矢印で示すように、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁体７１ａを切り換えることによって、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０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。
【００５８】
図２１にＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の構造を示す。なお、図２１において、（Ａ）はＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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２１（Ｂ）に矢印で示すように、必ず隔壁５４を通過する。各隔壁５４の両側表面上、及び、好ましくは各隔壁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ＮＯX吸収剤と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。
【００５９】
隔壁５４に担持させたＮＯX吸収剤は、本実施例では、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である。このＮＯX吸収剤は、近傍雰囲気中の空燃比（空気と燃料との比であり、ここで、どれだけの燃料が空気中の酸素を使用して燃焼しているかは関係ない）がリーンのときにはＮＯXを吸収し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯXを放出するＮＯXの吸放出作用を行う。
【００６０】
このＮＯX吸収剤は実際にＮＯXの吸放出作用を行うが、この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図２２に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについてＮＯX吸蔵還元触媒装置の隔壁上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００６１】
低温燃焼及び普通燃焼に係わらず、空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には、排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図２２（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、流入排気ガス中の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上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図２２（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ3-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯXがＮＯX吸収剤内に吸収される。近傍雰囲気の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ2が生成され、吸収剤のＮＯX吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ2が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3-が生成される。
【００６２】
一方、近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると酸素濃度が低下し、その結果白金Ｐｔの表面でのＮＯ2の生成量が低下する。ＮＯ2の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2の形で吸収剤から放出される。このときＮＯX吸収剤から放出されたＮＯXは図２２（Ｂ）に示されるように近傍雰囲気中に含まれるＨＣ及びＣＯ等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ＮＯ2が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ2が放出される。従って近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯX吸収剤からＮＯXが放出され、しかもこの放出されたＮＯXが還元されるために大気中にＮＯXが排出されることはない。
【００６３】
なお、この場合、近傍雰囲気の空燃比を理論空燃比にしてもＮＯX吸収剤からＮＯXが放出される。しかしながら、この場合にはＮＯX吸収剤からＮＯXが徐々にしか放出されないためにＮＯX吸蔵還元触媒装置に吸収されている全ＮＯXを放出させるには若干長い時間を要する。
【００６４】
ところでＮＯX吸収剤のＮＯX吸収能力には限度があり、ＮＯX吸収剤のＮＯX吸収能力が飽和する前にＮＯX吸収剤からＮＯXを放出させる必要がある。すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０に吸収されているＮＯX量がＮＯX貯蔵可能量に達する以前に、ＮＯXを放出させ還元浄化する再生の必要があり、そのためには、このＮＯX量を推定する必要がある。そこで本実施例では低温燃焼が行われている時の単位時間当りのＮＯX吸収量Ａを要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２３（Ａ）に示すようなマップの形で予め求めておき、普通燃焼が行われている時の単位時間当りのＮＯX吸収量Ｂを要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２３（Ｂ）に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのＮＯX吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯX吸蔵還元触媒装置に吸収されているＮＯX量を推定するようにしている。ここで、低温燃焼が行われているときの単位時間当たりのＮＯX吸収量Ａは、もちろん、低温燃焼がリッチ空燃比で行われる時にはＮＯXは放出されることとなるために、マイナス値となる。本実施例ではこのＮＯX吸収量が予め定められた許容値を越えた時にＮＯX吸蔵還元触媒装置を再生するために、理論空燃比又はリッチ空燃比での低温燃焼を実施するか、又は、燃料供給装置７４を使用して燃料を供給することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の近傍雰囲気を理論空燃比又リッチ空燃比とし、少なくとも再生が完了するまでの時間（近傍雰囲気の空燃比が小さいほど短くなる）だけこの状態を維持するようになっている。
【００６５】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してＳＯXが生成される。ＳＯXは、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０へＮＯXと同様なメカニズムにより硫酸塩の形で吸収される。硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としてもＮＯX吸蔵還元触媒装置から放出され難く、吸蔵量が徐々に増加する。ＮＯX吸蔵還元触媒装置への硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、ＮＯX吸蔵還元触媒装置における硫酸塩の吸蔵量が増加すれば（以下、ＳＯX被毒と称する）、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くＮＯXを吸収することができなくなる。
【００６６】
従って、本実施例では、図２４に示す第一フローチャートによってＮＯX吸蔵還元触媒装置７０のＳＯX被毒を回復するようになっている。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、ＳＯX被毒の回復が必要な回復時期であるか否かが判断される。この判断には、例えば、これまでに消費した燃料量を積算し、この積算燃料量が設定量に達したことを利用することができる。また、前述の再生処理において、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側の空燃比はリッチにされるが、再生中においては、ＨＣ等の還元物質が放出されたＮＯXの還元浄化に使用されるために、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側の空燃比は理論空燃比に近くなる。しかしながら、再生が完了すると、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側の空燃比は、上流側の空燃比とほぼ等しくリッチとなる。これを利用して再生時間を検出すれば、ＳＯX被毒の回復時期が判断可能である。なぜなら、回復が必要なほどＳＯX被毒が進行していると、再生時期におけるＮＯX吸収量が実際には少なくなっており、再生時間が短くなるためである。
【００６７】
ステップ１０１における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に進み、燃料供給装置７４によって燃料が供給される。この時に低温燃焼が実施されている時には燃焼空燃比はリーンとされ、排気ガス中には比較的多くの酸素が含まれているようにして、燃料が供給されてもＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の近傍雰囲気は結果としてリーン空燃比とされる。こうして、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０には十分な酸素と燃料とが供給され、この燃料は、主にＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気入口部において、そこに担持されている酸化触媒によって良好に燃焼を開始する。
【００６８】
図２５は、このような燃料の燃焼によるＮＯX吸蔵還元触媒装置の各部の温度変化を示す図である。同図において、実線は燃料の燃焼開始直後の各部温度を示しており、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気入口部だけが良好に温度上昇している。点線は実線で示す各部温度の直後の各部温度を示しており、一点鎖線は点線で示す各部温度の直後の各温度を示している。点線及び一点鎖線で示すように、排気入口部を昇温させた熱は、排気ガス流れと共に中央部へ、さらに排気出口部へと移動し、結果的には、排気出口部は比較的良好に昇温されるが、排気入口部は僅かに昇温されるだけである。
【００６９】
供給された燃料によって、このようなＮＯX吸蔵還元触媒装置の昇温が繰り返されれば、排気入口部を含めてＮＯX吸蔵還元触媒装置全体を徐々に昇温することができる。ＳＯX被毒の源である硫酸塩は安定な物質であるが、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が６００°Ｃ程度の高温とされれば、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＳＯXとして放出させることができる。従って、ＳＯX被毒の回復には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置全体を約６００°Ｃまで昇温する必要があるが、前述のように、徐々に昇温させていたのでは、長い時間が必要である。
【００７０】
本フローチャートでは、ステップ１０３において、第一設定時間毎に弁体７１ａを切り換えて、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転するようになっている。この第一設定時間は、例えば、十数秒であり、これは、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気入口部において所定量の燃料が燃焼を開始してから、この燃焼熱が前述したように排気下流部を最も昇温するまでの時間より少なくとも長い時間である。従って、弁体７１ａが切り換えられた時には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気入口部、すなわち、これまでの排気出口部は比較的高温となっており、さらなる燃料は、この高温の排気入口部において非常に良好に燃焼を開始し、前述したと同様に、排気出口部をさらに高温度とする。
【００７１】
もちろん、弁体を一回切り換えるだけでも、比較的良好にＮＯX吸蔵還元触媒装置全体を昇温させることができる。しかしながら、ステップ１０４において、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦが６００°Ｃを越えたか否かが判断され、これが否定される時には、燃料供給及び弁体の切り換えを繰り返すようになっている。こうして、常に、比較的良好に昇温された排気出口部へ燃料が供給されることとなり、ＮＯX吸蔵還元触媒装置全体を非常に素早く所望温度へ昇温することができる。ここでのＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦは、ＮＯX吸蔵還元触媒装置から排出される排気ガス温度に基づき推定しても良く、例えば、排気入口部、中央部、排気出口部のいずれかの温度を検出しても良く、また、これら全ての温度を検出して、これらの平均温度又は最低温度を使用しても良い。
【００７２】
こうしてＮＯX吸蔵還元触媒装置が６００°Ｃに昇温されれば、ステップ１０４における判断は肯定されてステップ１０５に進み、ステップ１０２での供給燃料より多くの燃料が供給され、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の近傍雰囲気を結果として理論空燃比、又は好ましくはリッチ空燃比とする。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置からＳＯXの放出が開始され、このＳＯXは還元浄化される。次いで、ステップ１０６において、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦが７００°Ｃを越えたか否かが判断される。当初、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度は６００°Ｃを越えた直後であるために、この判断は否定されてステップ１０７に進む。ここで、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦは、ＮＯX吸蔵還元触媒装置から排出される排気ガス温度に基づき推定しても良く、例えば、排気入口部、中央部、排気出口部のいずれかの温度を検出しても良く、また、これら全ての温度を検出して、これらの平均温度又は最高温度を使用しても良い。
【００７３】
ステップ１０７では、第二設定時間毎に弁体７１ａを切り換え、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側と排気下流側とを逆転する。第二設定時間は、例えば数秒である。こうすることにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の両方へ交互に燃料を供給することができ、ＮＯX吸蔵還元触媒の排気入口部において放出されたＳＯXが排気出口部において再び吸蔵されようとしている時に、この排気出口部は排気入口部として燃料が供給されるために、このＳＯXを吸蔵以前に還元浄化することができる。こうして、ＮＯX吸蔵還元触媒装置全体のＳＯX被毒を短時間で完了することができる。
【００７４】
次いで、ステップ１０９において、例えば、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂのそれぞれに空燃比センサを設けて、これら空燃比センサの出力Ａ１及びＡ２がほぼ等しいか否かが判断される。すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側の空燃比と排気下流側の空燃比とがほぼ等しいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ＨＣ等の還元物質がＳＯXの還元浄化に使用されていないことであり、すなわち、ＳＯX被毒回復は完了したこととなる。但し、弁体を切り換えた直後では、排気下流側の空燃比はリッチのままであり、空燃比の検出は、弁体を切り換える直前、又は、弁体の切り換えを停止して暫くしてから実施することが好ましい。もちろん、ステップ１０９における判断に代えて、ステップ１０５での燃料供給時間が設定時間となった時にＳＯX被毒回復が完了したとしても良い。
【００７５】
この判断が肯定される時には、ステップ１１０において燃料供給を停止すると共に弁体の切り換えを停止するが、否定される時には、前述のステップ１０５以降の処理が繰り返される。しかしながら、このＳＯX被毒回復処理において、近傍雰囲気の空燃比はリッチとされているために、あまり起こらないが、弁体の切り換え最中に、もし、ＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃料が燃焼を開始すれば、前述のように、ＮＯX吸蔵還元触媒装置を良好に昇温させることとなる。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が７００°Ｃを越えるようなこととなると、白金Ｐｔ等の酸化触媒がシンタリングを起こして機能低下する。これを防止するために、ステップ１０６における判断が肯定される時には、ステップ１０８において、弁体の切り換えを中止するようになっている。弁体の切り換え中止は、ＳＯX被毒回復時間を延長させることとなるために、前述したように、ＳＯX被毒回復の完了に設定時間を使用する場合には、弁体の切り換え中止時間が長いほど、設定時間を長くする必要がある。
【００７６】
本フローチャートにおいて、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の昇温（ステップ１０２）及びＳＯX放出還元（ステップ１０５）に燃料供給装置によって燃料を供給するようにしたが、前述したように、低温燃焼時には、排気ガス中にＨＣ及びＣＯ等の還元物質が比較的多く含まれるために、燃料供給に代えて、ステップ１０２ではリーン空燃比での低温燃焼を実施するようにし、ステップ１０５ではリッチ空燃比での低温燃焼を実施するようにしても良い。また、機関燃料噴射弁を利用して排気行程で燃料を噴射するようにしても良い。
【００７７】
本実施例において、燃料供給装置は切換部７１の上流側に配置され、弁体を切り換えることにより、単一の燃料供給装置でＮＯX吸蔵還元触媒装置７０のいずれの側へも燃料を供給可能となっている。しかしながら、この一方で、排気上流側となっている一方の接続部７２ａ又は７２ｂ内の燃料の一部は、弁体の切り換え時に排気下流側となってＮＯX吸蔵還元触媒装置を通過せずに排気通路７３へ排出されることとなる。これを防止するためには、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂの両方に燃料供給装置を設けて、いずれかの燃料供給装置によって、弁体の切り換え後に排気上流側となっている接続部だけに燃料を供給するようにすれば、ＳＯX被毒回復のための燃料消費をかなり低減することができる。
【００７８】
ところで、本実施例のディーゼルエンジンは、前述したように低温燃焼と普通燃焼とを切り換えて実施するものであり、低温燃焼時には煤、すなわち、パティキュレートは殆ど生成されないが、普通燃焼時には比較的多くのパティキュレートが生成される。このパティキュレートも有害物質であるために、大気への放出を抑制しなければならない。
【００７９】
本ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０は前述したようにウォールフロー型である。それにより、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、排気ガスが隔壁５４を通過する際に、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。このように、本ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０は、各隔壁５４をパティキュレート捕集のための捕集壁としても機能させることができる。もちろん、パティキュレートの捕集を意図しなければ、ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、ウォールフロー型としなくても良く、すなわち、図２２において栓５３を省略しても良い。
【００８０】
こうして捕集されたパティキュレートは、なしもしなければ、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０に徐々に堆積して排気抵抗を増加させ、遂には車両走行に悪影響を与えることとなる。従って、本ＮＯX吸蔵還元触媒装置の各隔壁には、両側表面上、及び、好ましくは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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するＮＯX吸蔵還元触媒装置の隔壁によって、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。
【００８５】
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ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側へ流入することになる。
【００８６】
図２６（Ａ）及び（Ｂ）はＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の隔壁における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表している。なお、図２６（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。
【００８７】
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ＮＯX吸蔵還元触媒装置の隔壁の排ガス接触面内に接触すると、図２６（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２６（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。
【００８８】
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。
【００８９】
排気ガス中のパティキュレートは、図２６（Ｂ）において６２で示されるように、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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。
【００９０】
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。
【００９１】
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ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の隔壁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。
【００９２】
ところで白金Ｐｔ及び活性酸素放出剤６１はＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が高くなるほど増大する。
【００９３】
図２７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２７において横軸はＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度ＴＦを示している。なお、図２７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を表すことになり、この場合でもＮＯX吸蔵還元触媒装置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２７に示されるようにＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の温度が高くなるほど増大する。
【００９４】
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２７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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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。
【００９５】
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２７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２８（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。
【００９６】
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２８（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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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２８（Ｂ）に示されるようにＮＯX吸蔵還元触媒装置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。
【００９７】
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２８（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ＮＯX吸蔵還元触媒装置上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【００９８】
このように図２７の領域ＩではパティキュレートはＮＯX吸蔵還元触媒装置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２７の領域IIではパティキュレートがＮＯX吸蔵還元触媒装置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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置にはパティキュレートが堆積することがある。
【００９９】
本実施例では、前述の電子制御ユニット３０により図２９に示す第二フローチャートに従って弁体７１ａの切換制御を実施し、ＮＯX吸蔵還元触媒装置への多量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２０１において、車両の走行距離積算値Ａが算出され、ステップ２０２において、この走行距離積算値Ａが設定走行距離Ａｓに達し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、肯定される時にはステップ２０３に進んで走行距離積算値Ａを０にリセットした後、ステップ２０４において、弁体７１ａを二つの遮断位置の一方から他方へ切り換える。すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転する。
【０１００】
図３０は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の隔壁５４の拡大断面図である。車両が設定走行距離Ａｓを走行する間には、図２７の領域IIでの運転が実施されることもあり、図３０（Ａ）に格子で示すように、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酸化除去するが、この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。この時点では、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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。第二フローチャートでは、この時点においてＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とが逆転される。それにより、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３０（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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。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を交互に使用すると、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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置にはパティキュレートが堆積することはなく、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の目詰まりを防止することができる。
【０１０３】
第二フローチャートにおいて、弁体の切り換えは、設定走行距離毎に行うようになっており、ＮＯX吸蔵還元触媒装置上の残留パティキュレートが酸化され難いカーボン質に変質する以前に弁体が切り換えられる。また、多量のパティキュレートが堆積する以前にパティキュレートを酸化除去することは、多量の堆積パティキュレートが一度に着火燃焼して多量の燃焼熱を発生させ、この燃焼熱によりＮＯX吸蔵還元触媒装置が溶損する等の問題を防止することにもなる。また、何らかの要因によって、弁体の切り換え時点でＮＯX吸蔵還元触媒装置隔壁の一方の捕集面に多量のパティキュレートが堆積してしまったとしても、弁体が切り換えられれば、堆積パティキュレートは逆方向の排気ガス流によって比較的容易に破壊及び細分化されるために、隔壁の細孔内で酸化除去できなかった一部の細分化パティキュレートはＮＯX吸蔵還元触媒装置から排出されることとなるが、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気抵抗がさらに高まって車両走行に悪影響を与えることはなく、また、ＮＯX吸蔵還元触媒装置隔壁の他方の捕集面によって新たなパティキュレートの捕集が可能となる。
【０１０４】
こうして、設定走行距離毎に弁体を切り換えれば、ＮＯX吸蔵還元触媒装置へ多量のパティキュレートが堆積することを確実に防止することができる。このための弁体の切り換え時期は、設定走行距離毎に限定されることはなく、例えば、設定時間毎としても不定期としても良い。
【０１０５】
また、ＮＯX吸蔵還元触媒装置上に残留及び堆積するパティキュレート量に応じてＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の排気上流側と排気下流側との差圧が上昇することを利用し、この差圧が設定差圧以上となった時を、ＮＯX吸蔵還元触媒装置上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるようにしても良い。具体的には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置７０の一方側の排気圧力、すなわち、第一接続部７２ａ（図１８参照）内の排気圧力を、第一接続部７２ａに配置された圧力センサによって検出すると共に、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の他方側の排気圧力、すなわち、第二接続部７２ｂ（図１８参照）内の排気圧力を、第二接続部７２ｂに配置された圧力センサによって検出し、これらの排気圧力の差圧の絶対値が、設定圧力差以上となったか否かを判断する。ここで、差圧の絶対値を使用するのは、第一接続部７２ａ及び第二接続部７２ｂのいずれが排気上流側となっていても差圧の上昇を把握可能とするためである。ＮＯX吸蔵還元触媒装置の両側の差圧は、厳密には、機関運転状態毎の気筒内から排出される排気ガス圧力によっても変化するために、パティキュレートの堆積の判断には、機関運転状態を特定することが好ましい。
【０１０６】
また、この差圧以外にも、例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の所定隔壁上の電気抵抗値の変化を監視して、パティキュレートの堆積によって電気抵抗値が設定値以下となった時を、ＮＯX吸蔵還元触媒装置上にある程度のパティキュレートが堆積しているとして、弁体を切り換えるようにしても良い。また、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の所定隔壁において、パティキュレートの堆積により、光の透過率が低下すること、又は、光の反射率が低下することを利用して、弁体を切り換えるようにしても良い。このように、パティキュレートの堆積を直接的に判断して弁体を切り換えることにより、さらに確実に機関出力の大幅な低下を防止することができる。
【０１０７】
また、多量のパティキュレートの堆積を防止するために、前述のように意図的に弁体を切り換えなくても、第一フローチャートのＳＯX被毒回復処理において、開始時の弁体の遮断位置が終了時に切り換わるようにしても良い。
【０１０８】
本排気浄化装置は、前述のように非常に簡単な構成によってＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転することを可能とする。また、ＮＯX吸蔵還元触媒装置においては、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、図１８及び１９に示すように、車両搭載性を悪化させることなく、大きな開口面積を有するＮＯX吸蔵還元触媒装置を使用可能である。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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。
【０１１２】
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ＮＯX吸蔵還元触媒装置を昇温させる。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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、さらに多量の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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置へパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【０１１３】
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。もちろん、通常燃焼から低温燃焼へ切り換わる時に、又は、それに先だってＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを切り換えるようにしても良い。また、排気ガスの空燃比をリッチにするために、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。
【０１１４】
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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置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ＮＯX吸蔵還元触媒装置の隔壁を通過する。従ってＮＯX吸蔵還元触媒装置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。
【０１１５】
また、活性酸素放出剤としてＮＯX吸蔵還元触媒装置に白金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２７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（２ＣｅＯ2→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。
【０１１６】
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り、このリッチ化制御をＮＯX吸蔵還元触媒装置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。
【０１１７】
本実施例において、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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物質は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置又はそれに担持させた物質から放出されても、外部からＮＯX吸蔵還元触媒装置へ流入するようにしても良い。パティキュレート酸化物質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。また、この場合においても、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の昇温は、パティキュレート自身の温度を高めて酸化除去させ易くなる。
【０１１８】
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。
【０１１９】
【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近傍雰囲気がリーン空燃比の時にＮＯXを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒装置と、ＮＯX吸蔵還元触媒装置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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置へ排気上流側から還元物質を供給するための供給手段とを具備し、ＮＯX吸蔵還元触媒装置のＳＯX被毒回復のために、ＮＯX吸蔵還元触媒全体を第一設定温度へ昇温させる際に、供給手段によってＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼させる還元物質を供給すると共に逆転手段によってＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とを逆転するようになっている。こうして供給された還元物質は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気入口部で燃焼するが、排気ガス流による熱の移動によって結果的には主に排気出口部を良好に昇温させる。それにより、逆転手段によってＮＯX吸蔵還元触媒装置の排気上流側と排気下流側とが逆転されれば、良好に昇温された排気入口部、すなわち、これまでの排気出口部へ燃料が供給されることとなり、この燃料は良好に燃焼してさらに排気入口部を昇温させると共に排気出口部を良好に昇温させ、ＳＯX被毒回復のために素早くＮＯX吸蔵還元触媒装置全体を第一設定温度へ昇温することができる。
【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】Ａは空燃比が２１付近でスモークの発生量が最も多い時の燃焼圧変化を示す図であり、Ｂは空燃比が１８付近でスモークの発生量がほぼ零の時の燃焼圧変化を示す図である。
【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及び第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】Ａはスロットル弁の目標開度のマップを示す図であり、ＢはＥＧＲ制御弁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】Ａはスロットル弁の目標開度のマップを示す図であり、ＢはＥＧＲ制御弁の目標開度のマップを示す図である。
【図１８】機関排気系における切換部及びＮＯX吸蔵還元触媒装置近傍の平面図である。
【図１９】図１８の側面図である。
【図２０】切換部内の弁体の図１８とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図２１】ＮＯX吸蔵還元触媒装置の構造を示す図である。
【図２２】ＮＯXの吸放出作用を説明するための図である。
【図２３】単位時間当りのＮＯX吸収量のマップを示す図である。
【図２４】ＮＯX吸蔵還元触媒装置のＳＯX被毒回復のための第一フローチャートである。
【図２５】ＮＯX吸蔵還元触媒装置の各部の温度変化を示す図である。
【図２６】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２７】酸化除去可能微粒子量とＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度との関係を示す図である。
【図２８】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２９】ＮＯX吸蔵還元触媒装置への多量のパティキュレートの堆積を防止するための第二フローチャートである。
【図３０】ＮＯX吸蔵還元触媒装置の隔壁の拡大断面図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
７１…切換部
７０…ＮＯX吸蔵還元触媒装置
７４…燃料供給装置
【図１】
0004581287.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004581287.tif 000004
【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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