(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、第１から第３の構造体に区分された排気浄化集合体と、
この浄化集合体の第１から第３の構造体に流れる排気ガスの流れ方向を制御する排気切換弁とを有し、
前記排気切換弁は、
内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体から第２の構造体を通過して第３の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第１の排気ガス流と、
内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体から第２の構造体を通過して第１の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第２の排気ガス流と、
を切り換え、
前記第１の構造体は、リーンでＳＯx を吸収し、リッチでＳＯx を放出するＳＯx 吸収剤を有し、
前記第２の構造体は、酸化機能を有する酸化触媒を有し、
前記第３の構造体は、リーンでＮＯx を吸収し、リッチでＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤を有し、
前記排気切換弁は、リーン運転時に第１の排気ガス流に切り換えられ、ストイキもしくはリッチ運転時に第２の排気ガス流に切り換えら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】
内燃機関の排気通路に設けられ、第１から第３の構造体に区分された排気浄化集合体と、
この浄化集合体の第１から第３の構造体に流れる排気ガスの流れ方向を制御する排気切換弁とを有し、
前記排気切換弁は、
内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体から第２の構造体を通過して第３の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第１の排気ガス流と、
内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体から第２の構造体を通過して第１の構
造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第２の排気ガス流と、
を切り換え、
前記各構造体は、排気浄化触媒を有し、各触媒温度もしくは排気ガス温度に応じて排気ガスの流れを切り換え、
前記触媒がＮＯx 吸収剤であり、さらに、このＮＯx 吸収剤のＳＯx 被毒を回復するためのＳＯx 被毒回復手段を有し、このＳＯx 被毒回復手段によるＳＯx 被毒回復期間中に、前記排気切換弁により第１の排気ガス流と第２の排気ガス流とを交互に切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気切換弁は、第１〜第３の構造体を通過する排気ガスの流れがすべて同一方向となる第３の排気ガス流に切り換え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】
内燃機関の排気通路に設けられ、第１から第３の構造体に区分された排気浄化集合体と、
この浄化集合体の第１から第３の構造体に流れる排気ガスの流れ方向を制御する排気切換弁とを有し、
前記排気切換弁は、
内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体から第２の構造体を通過して第３の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第１の排気ガス流と、
内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体から第２の構造体を通過して第１の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第２の排気ガス流と、
を切り換え、
前記第１の構造体と第３の構造体とが、排気浄化触媒を有するとともに、第２の構造体がパティキュレート・フィルタを有し、
前記排気切換弁は、第１〜第３の構造体を通過する排気ガスの流れがすべて同一方向となる第３の排気ガス流に切り換え可能であり、
前記第２の構造体のパティキュレート・フィルタに微粒子が所定量以上堆積したときに、前記排気切換弁により第１の排気ガス流または第２の排気ガス流と第３の排気ガス流とを交互に切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
内燃機関の排気通路に設けられ、第１から第３の構造体に区分された排気浄化集合体と、
この浄化集合体の第１から第３の構造体に流れる排気ガスの流れ方向を制御する排気切換弁とを有し、
前記排気切換弁は、
内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体から第２の構造体を通過して第３の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第１の排気ガス流と、
内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体から第２の構造体を通過して第１の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第２の排気ガス流と、
を切り換え、
前記第１の構造体と第３の構造体とが、排気浄化触媒を有するとともに、第２の構造体がパティキュレート・フィルタを有し、
前記排気切換弁は、第１〜第３の構造体を通過する排気ガスの流れがすべて同一方向となる第３の排気ガス流に切り換え可能であり、
前記パティキュレート・フィルタに活性酸素放出剤が担持され、前記排気切換弁により第１の排気ガス流または第２の排気ガス流と第３の排気ガス流とを交互に切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
内燃機関の排気通路に設けられ、第１から第３の構造体に区分された排気浄化集合体と、
この浄化集合体の第１から第３の構造体に流れる排気ガスの流れ方向を制御する排気切換弁とを有し、
前記排気切換弁は、
内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体から第２の構造体を通過して第３の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第１の排気ガス流と、
内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体から第２の構造体を通過して第１の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第２の排気ガス流と、
を切り換え、
前記第１の構造体と第３の構造体とが、排気浄化触媒を有するとともに、第２の構造体がパティキュレート・フィルタを有し、
前記排気切換弁は、第１〜第３の構造体を通過する排気ガスの流れがすべて同一方向となる第３の排気ガス流に切り換え可能であり、
前記パティキュレート・フィルタの温度もしくは排気ガス温度に応じて前記排気切換弁により第１の排気ガス流または第２の排気ガス流と第３の排気ガス流とを切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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。
【従来の技術】
従来より、種々の排気浄化装置が開発され提供されている。例えば、特開平７−２５９５４２号では、排気通路を２つの分岐通路に分け、そのそれぞれにＮＯx 吸収剤、ＳＯx 吸収剤を備える構造としている。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような構造の浄化装置では、構造が複雑となり、大型化もやむを得ない結果となる。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、できるだけコンパクトな構造の排気浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、次の手段を採用した。
すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、第１から第３の構造体に区分された排気浄化集合体と、この排気浄化集合体の第１から第３の構造体に流れる排気ガスの流れ方向を制御する排気切換弁とを有している。
第１から第３の構造体は、同一種あるいは種類の異なる排気浄化触媒を備えてもよいし、微粒子（パティキュレートマター：ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタを備えてもよい。また、第１から第３の構造体は、一つの排気管の途中に設けられ、夫々が並列的に配置されるのが望ましい。
前記排気切換弁は、内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体から第２の構造体を通過して第３の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第１の排気ガス流と、内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体から第２の構造体を通過して第１の構造体の順に流すとともに、第１及び第３の構造体を通過する排気ガスの流れが第２の構造体を通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第２の排気ガス流と、を切り換えるようにしてある。
このような構造にすることで、装置全体がコンパクト化できる。
ここで、前記排気切換弁は、第１〜第３の構造体を通過する排気ガスの流れがすべて同一方向となる第３の排気ガス流に切り換えるようにすることも可能である。
さらに、前記第１の構造体は、リーンでＳＯx を吸収し、リッチでＳＯx を放出するＳＯx 吸収剤を有し、前記第２の構造体は、酸化機能を有する酸化触媒を有し、前記第３の構造体は、リーンでＮＯx を吸収し、リッチでＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤を有し、前記排気切換弁は、リーン運転時に第１の排気ガス流に切り換えられ、ストイキもしくはリッチ運転時に第２の排気ガス流に切り換えられるようにすることができる。
これにより、ＳＯx 吸収剤から排出されるイオウでＮＯx 吸収剤がＳＯx 被毒することがない。
また、前記各構造体は、排気浄化触媒を有し、各触媒温度もしくは排気ガス温度に応じて排気ガスの流れを切り換えるようにするとよい。
さらに、前記触媒がＮＯx 吸収剤であり、さらに、このＮＯx 吸収剤のＳＯx 被毒を回復するためのＳＯx 被毒回復手段を有し、このＳＯx 被毒回復手段によるＳＯx 被毒回復期間中に、前記排気切換弁により第１の排気ガス流と第２の排気ガス流とを交互に切り換えるようにもできる。
そして、前記第１の構造体と第２の構造体とが、排気浄化触媒を有するとともに、第３の構造体がパティキュレート・フィルタを有する構成とすることもできる。
また、前記排気切換弁は、第１〜第３の構造体を通過する排気ガスの流れがすべて同一方向となる第３の排気ガス流に切り換え可能であり、前記第３の構造体のパティキュレート・フィルタに微粒子が所定量以上堆積したときに、前記排気切換弁により第１の排気ガス流または第２の排気ガス流と第３の排気ガス流とを交互に切り換えるようにしてもよい。
さらに、前記パティキュレート・フィルタに活性酸素放出剤が担持され、前記排気切換弁により第１の排気ガス流または第２の排気ガス流と第３の排気ガス流とを交互に切り換えるようにしてもよい。
また、前記パティキュレート・フィルタの温度もしくは排気ガス温度に応じて前記排気切換弁により第１の排気ガス流または第２の排気ガス流と第３の排気ガス流とを切り換えることも可能である。
冷間運転時の排気浄化のため、本発明では、前記第１の構造体と第２の構造体とが、排気浄化触媒を有するとともに、第３の構造体が低温時に排気ガス中の有害成分を吸着し温度が高くなると放出する有害成分吸着材である構成として、適宜上記のような排気切換弁の切り換えを行うようにすることも可能である。
なお、ＮＯx 吸収剤、ＳＯx 吸収剤、酸化触媒、パティキュレート・フィルタ以外にも、本件発明の趣旨に適合する限り、三元触媒、ＨＣ吸着剤他、他の排気ガス浄化材を利用できることはもちろんである。
さらに、必要に応じ、燃料などの還元剤の添加制御、点火時期の遅角制御などによる触媒昇温制御を付加してもよい。
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図１１の図面に基いて説明する。
【０００１】
＜内燃機関周りの構造＞
本発明の実施形態を説明するにあたって、まず、内燃機関とその周辺装置の具体例を説明する。
図１は希薄燃焼可能な車両用ガソリンエンジンを中心とした概略構成を示す図である。この図において、符号１は機関本体、符号２はピストン、符号３は燃焼室、符号４は点火栓、符号５は吸気弁、符号６は吸気ポート、符号７は排気弁、符号８は排気ポートを夫々示す。
【０００２】
吸気ポート６は対応する枝管９を介してサージタンク１０に連結され、各枝管９には夫々吸気ポート６内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付けられている。サージタンク１０は吸気ダクト１２およびエアフロメータ２１を介してエアクリーナ１３に連結され、吸気ダクト１２内にはスロットル弁１４が配置されている。
【０００３】
一方、排気ポート８は排気マニホルド１５および排気管１６を介して各種触媒を内蔵した本発明に係る排気浄化装置１８に接続され、排気浄化装置１８は排気管１９を介して図示しないマフラーに接続されている。
【０００４】
エンジンコントロール用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向バス３１によって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）３４、入力ポート３５、出力ポート３６を具備する。エアフロメータ２１は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧がＡＤ変換器３８を介して入力ポート３５に入力される。
【０００５】
排気浄化装置１８の上流の排気管１６には、排気浄化装置１８に流入する排気ガス（以下、これを入ガスという）のＳＯx濃度に比例した出力電圧を発生する入ガスＳＯxセンサ（入ガスＳＯx濃度検出手段）２３が設けられている。
一方、排気浄化装置１８の下流の排気管１９には、排気浄化装置１８から流出する排気ガス（以下、これを出ガスという）のＳＯx濃度に比例した出力電圧を発生する出ガスＳＯxセンサ（出ガスＳＯx濃度検出手段）２４と、出ガスの温度に比例した出力電圧を発生する温度センサ２５と、出ガスの空燃比を表す出力電圧を発生する空燃比センサ２７とが取り付けられている。これらＳＯxセンサ２３，２４、温度センサ２５、空燃比センサ２７の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３５に入力される。
【０００６】
また、入力ポート３５には機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ２６が接続されている。出力ポート３６は対応する駆動回路３９を介して夫々点火栓４および燃料噴射弁１１に接続されている。
【０００７】
このガソリンエンジンでは、例えば次式に基づいて燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。
ＴＡＵ＝ＴＰ・Ｋ
ここで、ＴＰは基本燃料噴射時間を示しており、Ｋは補正係数を示している。基本燃料噴射時間ＴＰは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とするのに必要な燃料噴射時間を示している。この基本燃料噴射時間ＴＰは予め実験により求められ、機関負荷Ｑ／Ｎ（吸入空気量Ｑ／機関回転数Ｎ）および機関回転数Ｎの関数として図２に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。補正係数Ｋは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を制御するための係数であって、Ｋ＝１．０であれば機関シリンダ内に供給される混合気は理論空燃比となる。これに対してＫ＜１．０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも大きくなり、即ちリーンとなり、Ｋ＞１．０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも小さくなり、即ちリッチとなる。
【０００８】
そして、この実施の形態のガソリンエンジンでは、機関低中負荷運転領域では補正係数Ｋの値が１．０よりも小さい値とされてリーン空燃比制御が行われ、機関高負荷運転領域、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、高速の定速運転時では補正係数Ｋの値が１．０とされてストイキ制御が行われ、機関全負荷運転領域では補正係数Ｋの値は１．０よりも大きな値とされてリッチ空燃比制御が行われるように設定してある。
【０００９】
内燃機関では通常、低中負荷運転される頻度が最も高く、したがって運転期間中の大部分において補正係数Ｋの値が１．０よりも小さくされて、リーン混合気が燃焼せしめられることになる。
【００１０】
図３は燃焼室３から排出される排気ガス中の代表的な成分の濃度を概略的に示している。この図からわかるように、燃焼室３から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室３から排出される排気ガス中の酸素Ｏ2の濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。
【００１１】
＜排気浄化装置の構造＞
図５に示したように、排気浄化装置１８は、第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）に区分された排気浄化集合体１７からなる。排気浄化集合体１７は、排気管の径よりも大径の円筒形の本体を第１から第３の空間に仕切ることで、並列的に第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）を構成している。第１の構造体１７ａ内には、リーンでＳＯx を吸収し、リッチでＳＯx を放出するＳＯx 吸収剤が備えられている。前記第２の構造体１７ｂ内には、酸化機能を有する酸化触媒が備えられている。前記第３の構造体１７ｃ内には、リーンでＮＯx を吸収し、リッチでＮＯx を放出するＮＯx 吸収剤をが備えられている。
さらに、排気浄化集合体１７の第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）に流れる排気ガスの流れ方向を制御する排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）が設けられている。この排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）は、図５，図６に示すように、排気管と排気浄化集合体１７を構成する円筒形本体とを接続する円錐台状の接続部内に配置され、軸で回動自在に支持され、さらに、その周縁が円錐台状の接続部内壁に摺接し、気密となっている。排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）は、第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）の排気ガスの入りガス側端面と、出ガス側端面に望む排気浄化装置両端部内のそれぞれ１つづつ配置されている。ここで、入りガス側の排気切換弁７０ａを第１排気切換弁７０ａといい、出ガス側の排気切換弁７０ｂを第２排気切換弁７０ｂという。
各排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）は、回動により、その端部が、第１の構造体１７ａと第２の構造体１７ｂとを仕切る仕切壁の端部及び、第２の構造体１７ｂと第３の構造体１７ｃとを仕切る仕切壁の端部に当接し、以下のような排気ガス流の切り換えを行うようになっている。
すなわち、第１の排気切換弁７０ａが、図９のように第１の構造体１７ａに排気ガスが入るようにすると同時に、第２の排気切換弁７０ｂが、第１の構造体１７ａを通過した排気ガスを第２の構造体１７ｂに導入すようにする。この動作位置で第２の構造体１７ｂを通過した排気ガスは、第１の排気切換弁７０ａにより第３の構造体１７ｃに案内される。第３の構造体１７ｃを通過した排気ガスは第２の排気切換弁７０ｂにより排気管へと案内されて放出される。
第１の排気切換弁７０ａと第２の排気切換弁７０ｂとは図７に示したように、ステップモータや内燃機関の排気負圧を利用したアクチュエータ７２により同期的に駆動される。アクチュエータ７２は、内燃機関の駆動に伴って形成される負圧により駆動されるもので、負圧が加えられないときに例えば図９の状態を選択する位置に弁体を制御し、第１の負圧が加えられたとき弁体を図１２のような中立位置に制御し、第１の負圧よりも強い第２の負圧が加えられたとき図１０の状態を選択する位置に弁体を制御する。なお、図７に示したアクチュエータ７２は、一方のみ設け、他方を機械的に同期させてもよいことはもちろんである。
このようなアクチュエータ７２の負圧制御はエンジンコントロール用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０により行われる。すなわち、エンジンコントロール用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０に、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）の制御手段が実現されている。その駆動制御により、上記した排気ガスの流れを以下のように切り換えることができる。
すなわち、第１の排気切換弁７０ａが、図１０のように第３の構造体１７ｃに入りガスが入るようにすると同時に、第２の排気切換弁７０ｂが、第３の構造体１７ｃを通過した排気ガスを第２の構造体１７ｂに導入すようにする。この動作位置で第２の構造体１７ｂを通過した排気ガスは、第１の排気切換弁７０ａにより第１の構造体１７ａに案内される。第１の構造体１７ａを通過した排気ガスは第２の排気切換弁７０ｂにより排気管へと案内されて放出される。
以上により、内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体１７ａから第２の構造体１７ｂを通過して第３の構造体１７ｃの順に流すとともに、第１及び第３の構造体（１７ａ，１７ｃ）を通過する排気ガスの流れが第２の構造体１７ｂを通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第１の排気ガス流と、内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体１７ｃから第２の構造体１７ｂを通過して第１の構造体１７ａの順に流すとともに、第１及び第３の構造体１７ｃを通過する排気ガスの流れが第２の構造体１７ｂを通過する排気ガスの流れに対し逆方向となる第２の排気ガス流と、を切り換えることが可能となるのである。
また、前記排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）が中立位置に制御されたときは、第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）を通過する排気ガスの流れがすべて同一方向となる第３の排気ガス流に切り換わったこととなるのである。
ここで、第３の構造体１７ｃに設けられた、ＮＯx触媒（吸蔵還元型ＮＯx触媒）につき説明する。このＮＯx 触媒は、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のような貴金属とが担持されてなる。
【００１２】
このＮＯx触媒を機関の排気通路に配置すると、ＮＯx触媒Ａは、流入する排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比ということもある）がリーンのときにはＮＯxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するＮＯxの吸放出作用を行う。ここで、排気空燃比とは、機関吸気通路およびＮＯx触媒Ａより上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をいう。
【００１３】
なお、ＮＯx触媒Ａより上流の排気通路内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比に一致し、したがってこの場合には、ＮＯx触媒Ａは燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはＮＯxを吸収し、燃焼室３内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出することになる。
【００１４】
ＮＯx触媒ＡによるＮＯxの吸放出作用は図４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。以下、このメカニズムについて担体上に白金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。
【００１５】
まず、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図４（Ａ）に示されるように酸素Ｏ2 がＯ2-又はＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含まれる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 ）。
【００１６】
次いで、生成されたＮＯ2の一部は、白金Ｐｔ上で酸化されつつＢａ内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ3-の形でＢａ内に拡散する。このようにしてＮＯxがＮＯx触媒Ａ内に吸収される。
【００１７】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ2が生成され、ＮＯx触媒ＡのＮＯx 吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ2がＮＯx触媒Ａ内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3-が生成される。
【００１８】
これに対して、流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ2の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2）に進み、Ｂａ内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2またはＮＯの形でＢａから放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯx触媒ＡからＮＯxが放出されることになる。図３に示されるように、流入排気ガスのリーンの度合いが低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯx触媒ＡからＮＯxが放出されることとなる。
【００１９】
一方、このとき、燃焼室３内に供給される混合気がストイキまたはリッチ空燃比になると、図３に示されるように機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ2-又はＯ2-と反応して酸化せしめられる。
【００２０】
また、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにＮＯx触媒ＡからＮＯ2またはＮＯが放出され、このＮＯ2またはＮＯは、図４（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元せしめられてＮ2となる。
【００２１】
即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ2-又はＯ2-とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ2-又はＯ2-が消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨＣ，ＣＯによってＮＯx触媒Ａから放出されたＮＯxおよび流入排気ガス中のＮＯxがＮ2に還元せしめられる。
【００２２】
このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ2またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯx触媒Ａから次から次へとＮＯ2またはＮＯが放出され、さらにＮ2に還元せしめられる。したがって、排気空燃比を理論空燃比またはリッチにすると短時間の内にＮＯx触媒ＡからＮＯxが放出されることになる。
【００２３】
このように、排気空燃比がリーンになるとＮＯxがＮＯx触媒Ａに吸収され、排気空燃比を理論空燃比あるいはリッチにするとＮＯxがＮＯx触媒Ａから短時間のうちに放出され、Ｎ2に還元される。したがって、大気中へのＮＯxの排出を阻止することができる。
【００２４】
ところで、この実施の形態では前述したように、全負荷運転時には燃焼室３内に供給される混合気がリッチとされ、また高負荷運転時等には混合気が理論空燃比とされ、低中負荷運転時には混合気がリーンとされるので、低中負荷運転時に排気ガス中のＮＯxがＮＯx触媒Ａに吸収され、全負荷運転時及び高負荷運転時等にＮＯx触媒ＡからＮＯxが放出され還元されることになる。しかしながら、全負荷運転あるいは高負荷運転等の頻度が少なく、低中負荷運転の頻度が多くその運転時間が長ければ、ＮＯxの放出・還元が間に合わなくなり、ＮＯx触媒ＡのＮＯxの吸収能力が飽和してＮＯxを吸収できなくなってしまう。
【００２５】
そこで、この実施の形態では、リーン混合気の燃焼が行われている場合、即ち中低負荷運転を行っているときには、比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にストイキまたはリッチ混合気の燃焼が行われるように混合気の空燃比を制御し、短周期的にＮＯxの放出・還元を行っている。このようにＮＯxの吸放出のために、排気空燃比（この実施の形態では混合気の空燃比）が比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な理論空燃比またはリッチ空燃比（リッチスパイク）」を交互に繰り返されるように制御することを、リーン・リッチスパイク制御と称している。尚、この出願においては、リーン・リッチスパイク制御はリーン空燃比制御に含まれるものとする。
【００２６】
次に、第１の構造体１７ａに設けたＳＯx 吸収剤について説明する。
ＳＯx 吸収剤は、例えば、アルミナからなる担体上に、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）のような遷移金属や、ナトリウム（Ｎａ）、チタン（Ｔｉ）、リチウム（Ｌｉ）等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）等の貴金属を担持して構成される。前記したＮＯx 触媒Ａと同一の構成からなる触媒をＳＯx 吸収剤として用いることもできる。
ＳＯx 吸収剤はＳＯx トラップ材と呼ばれることもある。ＳＯx 吸収剤は主にＮＯx 吸収剤の排気上流側に配置され、ＮＯx 吸収剤のＳＯx 被毒を防止するために用いられる。
すなわち、燃料には硫黄（Ｓ）が含まれており、燃料中の硫黄が燃焼するとＳＯ2やＳＯ3などの硫黄酸化物（ＳＯx）が発生し、ＳＯx 吸収剤Ｂは排気ガス中のこれらＳＯxを吸収する。ＳＯx 吸収剤ＢのＳＯx吸収メカニズムは上記したＮＯx 触媒ＡのＮＯx吸収メカニズムと同じであると考えられる。即ち、ＮＯxの吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを坦持させた場合を例にとって説明すると、前述したように、排気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ2がＯ2-又はＯ2-の形でＮＯx触媒Ａの白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯx（例えばＳＯ2）は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ3となる。
【００２７】
その後、生成されたＳＯ3は、白金Ｐｔの表面で更に酸化されながらＢａ内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ42- の形でＢａ内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ4を形成する。このＢａＳＯ4は結晶が粗大化し易く、比較的安定し易いため、一旦生成されると分解・放出されにくい。
第２の構造体１７ｂに設けられる酸化触媒は、例えば、触媒ペレットと呼ばれる粒状のアルミナの表面に、触媒作用をするパラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム＋白金（Ｐｔ）等の貴金属を薄く付着させたもので、排気ガス中のＣＯとＨＣとを酸化させて無害なＣＯ2とＨ2Ｏにする触媒を例示できる。また、酸化触媒として、酸素及び一酸化炭素、並びに炭化水素の存在下において疎水性を有し、ＮＯx を減少させるゼオライトを例示できる。
＜実施形態１の制御例＞
エンジンコントロール用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０に実現された排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）の制御手段は、以下のように排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を制御する。
先に述べたように、このエンジンでは、機関低中負荷運転領域では補正係数Ｋの値が１．０よりも小さい値とされてリーン空燃比制御が行われ、機関高負荷運転領域、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、高速の定速運転時では補正係数Ｋの値が１．０とされてストイキ制御が行われ、機関全負荷運転領域では補正係数Ｋの値は１．０よりも大きな値とされてリッチ空燃比制御が行われるように設定してある。
よって、上記運転に従って、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）が制御される。
まず、リーン運転時に、図９に示したように、内燃機関から排出された排気ガスを第１の構造体１７ａから第２の構造体１７ｂを通過して第３の構造体１７ｃの順に流す。これによりＳＯx 吸収剤・酸化触媒・ＮＯx 触媒の順で排気ガスが流れる。リーン運転時にはＳＯx が発生しやすいが、上記した順で排気ガスを流すので、ＳＯx 吸収剤がＳＯx を捕捉し、ＮＯx 吸収剤のＳＯx 被毒を軽減することができる。また、リーン時の排気ガス中のＣＯとＨＣＮＯx は酸化触媒で浄化され、ＮＯx はＮＯx 触媒に吸蔵される。
ストイキあるいはリッチ運転時には、図１０に示したように、内燃機関から排出された排気ガスを第３の構造体１７ｃから第２の構造体１７ｂを通過して第１の構造体１７ａの順に流す。
これにより、ＮＯx 触媒に吸蔵されていたＮＯx が上記した原理で還元されて放出される。また、ＳＯx 吸収剤からはイオウが放出されるが、このイオウは排気浄化装置の下流に放出され、ＮＯx 吸収剤を通過しないので、ＮＯx 吸収剤が再被毒することはない。
このように、上記例では、一つの排気浄化装置内に、ＳＯx 吸収剤とＮＯx 吸収剤とを設けて、交互に流れを変えるようにしたので、ＮＯx 吸収剤の被毒を回避できるＳトラップ材付きの触媒システムを構成でき、しかも、上記した３層の構造であるため、構成が簡単でコンパクトに形成できる。
なお、上記排気浄化集合体１７において、第２の構造体１７ｂに、酸化触媒の代わりに、ＮＯx 触を設けてもよい。すなわち、第１の構造体１７ａにＳＯx 吸収剤、第２と第３の構造体１７ｃにＮＯx 吸収剤（ＮＯx 触媒）を設けてもよい。さらに、第１の構造体１７ａにＳＯx 吸収剤、第２の構造体１７ｂにＮＯx 吸収剤、第３の構造体１７ｃに酸化触媒を設けてもよい。
酸化触媒を設けると、ＮＯx 吸収剤からＮＯx を放出させるため一次的に空燃比をリッチにするリッチスパイク制御時にＨＣの排出防止ができ、排気ガス中の三成分ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx を浄化できる３元触媒としての機能を本件の排気浄化装置に持たせることが可能となる。
なお、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を設けるに際し、図８に示したように、第１、第２、第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）を仕切る、仕切壁に対応して、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）の端部が当接可能なガイド板７３を設けてもよい。このようなガイド板７３を設けない場合、図６に示したように、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）の端部が仕切壁に当接するためには、その一部が第２の構造体１７ｂ内に入り込む必要がある。
＜第２の実施形態＞
この例では、第１の構造体１７ａ内に酸化触媒を設け、第２の構造体１７ｂ内にパティキュレート・フィルタを設け、第３の構造体１７ｃ内にＮＯx 吸収剤を設けた構造である。なお、パティキュレート・フィルタは、公知のウォールフロー型である。ウォールフロー型とは、フィルタによる仕切壁間を排気ガスが通過することで、仕切壁であるフィルタに微粒子（パティキュレートマター：ＰＭという）を捕捉するタイプのフィルタである。このフィルタの構造は、図２９（Ａ）（Ｂ）に示してあるのと同一であり、その説明は第７の実施の形態を参照されたい。
そして、第１の排気切換弁７０ａが、図１１のように第１の構造体１７ａに排気ガスが入るようにすると同時に、第２の排気切換弁７０ｂが、第１の構造体１７ａを通過した排気ガスを第２の構造体１７ｂに導入すようにする。この動作位置で第２の構造体１７ｂを通過した排気ガスは、第１の排気切換弁７０ａにより第３の構造体１７ｃに案内される。第３の構造体１７ｃを通過した排気ガスは第２の排気切換弁７０ｂにより排気管へと案内されて放出される。
さらに、各排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）は、図１２に示したように、中立位置で保持されることで、排気ガスが第１〜第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）のそれぞれに直接導入されるように制御可能である。
図１１の位置では、酸化触媒に流入した排気ガスは、ＣＯやＨＣが浄化された後、微粒子がパティキュレート・フィルタに捕捉される。その後、ＮＯx 浄化剤でＮＯx が除去される。
微粒子がパティキュレート・フィルタに堆積し、フィルタを再生する必要があると判断した場合、例えば、前回再生時からの所定経過時間を経過したとき、あるいは、排気浄化装置の上流側と下流側間の圧力差が所定以上となった場合など、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を中立位置にする。すると、排気ガスが第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）のそれぞれに直接導入される。第２の構造体１７ｂに直接入った排気ガスの流れは、図１１の場合と逆方向であるため、フィルタに捕捉されて堆積していた微粒子は、排気ガスの圧力でフィルタから離脱し、外部へと排出される。
なお、本例の装置は、微粒子が発生しやすいディーゼルエンジンの排気浄化装置として好的である。
＜第３の実施形態＞
図１３〜図１６に第３の実施形態を示す。この例は、各構造体の排気浄化触媒等の温度もしくは排気ガス温度に応じて排気ガスの流れを切り換える例である。
この例で、第１、第３の構造体（１７ａ，１７ｃ）はＮＯx 吸収剤をそれぞれ有し、第２のＮＯx 吸収剤はウォールフロー型のパティキュレート・フィルタを有している。
この例において、図１３に示しように、微粒子を除去するため、第１の構造体１７ａから第２、第３の構造体１７ｃへと排気ガスが流れるように排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を制御しておく。もちろんＮＯx はＮＯx 吸収剤に吸収されて浄化される。
この状態で排気ガス温度が低下し（例えば軽負荷運転時）、ＮＯx 吸収剤（触媒）温度やパティキュレート・フィルタの温度が低下してきた場合、例えば、触媒温度が２５０℃以下となった場合、図１４に示したように、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を反転させて、第３の構造体１７ｃから第２の構造体１７ｂを通過し、第１の構造体１７ａを経て排気ガスが流れるようにする。すなわち、排気ガス温度が低下した場合、第３の構造体１７ｃよりも上流側にある第１の構造体１７ａの触媒温度が先に低下するので、排気ガスが、より高温にある第３の構造体１７ｃの触媒を通過するようにすれば、パティキュレート・フィルタを通過する排気ガス温度を高く維持でき、よって、パティキュレート・フィルタの温度も高く維持されて、微粒子の除去能力を高く保持できる。
それでもなお、微粒子がパティキュレート・フィルタに堆積して再生の必要が生じた場合には、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を図１５のように中立にし、第２の構造体１７ｂに排気ガスが直接かつこれまでとは逆方向から流入するようにし、パティキュレート・フィルタに堆積した微粒子を剥離・離脱させてフィルタを再生する。
このときの温度履歴は図１６のように予想される。図１６で触媒Ａは第１の構造体１７ａに設けたＮＯx 吸収剤の温度を示す。触媒Ｂは第３の構造体１７ｃに設けたＮＯx 吸収剤の温度を示す。ウォールフローはパティキュレート・フィルタの温度を示す。排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）の切換は触媒Ａと触媒Ｂとの温度差が最大となった時点を選択するとよい。
なお、パティキュレート・フィルタの温度を高く維持するために、昇温手段を併設するようにしてもよい。例えば、エンジンの後工程噴射による排気ガスの昇温、燃料添加等による触媒での発熱昇温、排気絞りによる昇温等である。
＜第４の実施形態＞
図１７〜図２０に第４の実施形態を示す。この例は、排気ガス流を変更することで、触媒温度を上昇させ、触媒の失活するのを回避する例である。
ここでは、第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）には、それぞれ同一の触媒、例えば、ＮＯx 触媒が設けられているものとする。
定常時、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）は中立位置に保持され、排気ガスは夫々の構造体に直接流入する。よって、各構造体のＮＯx 触媒は、リーン運転時にＮＯx を吸収し、リッチ・ストイキ運転時にＮＯx を還元する。
ところで、軽負荷運転時に排気ガス温度が低下すると、まず、図１７に示したように、排気上流側となる触媒前段の温度が低下して失活する。そこで、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を図１８、図１９の状態に交互に切り換える。図１８の状態では、第３の構造体１７ｃのＮＯx 触媒に入った排気ガスは、排気上流側（低温）からその下流側である触媒後段（高温）を通過し、第２の構造体１７ｂの後段側（高温）から前段側（低温）へと流れる。排気ガスはさらに、低温である第１の構造体１７ａの触媒前段に流入する。この間、高温の触媒部分を通過した排気ガスは、それにより加熱されるので、その加熱された排気ガスで第２、第１の触媒の低温部分が加熱され高温となって失活を回復できる。
図１９の場合も同様であるため、図１８、図１９の状態を繰り返すことで、触媒の排気上流側の部分の温度を高く維持でき、失活を回避することが可能となる。
この制御中の触媒温度変化を図２０に示す。図２０において、前、中、後は、図１７に示した、触媒の排気上流側を前とした位置関係を示す。この図から明かなように、触媒前段部分が失活温度（例えば２５０℃）
となったことを検出し、その時点で、上記のような失活回復制御を行う。
＜第５の実施形態＞
図２１〜図２５に第５の実施形態を示す。この例は、排気ガス流を変更することで、触媒温度を上昇させ、触媒のＳＯx 被毒を回復することを目的とする。
ここで、第１から第３の構造体（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）には、それぞれ同一の触媒、例えば、ＮＯx 触媒が設けられているものとする。
定常時、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）は中立位置に保持され、排気ガスは夫々の構造体に直接流入する。よって、各構造体のＮＯx 触媒は、リーン運転時にＮＯx を吸収し、リッチ・ストイキ運転時にＮＯx を還元する。
ところで、リーン運転時にはＳＯx が発生しやすく、長時間の運転後に、ＮＯx 触媒がＳＯx に被毒してしまうことが生じる。そこで、ＳＯx 被毒を回復する制御を行う必要がある。
ＳＯx 被毒の回復のため、図２４に示したように、排気上流側から還元剤として燃料を排気ガス中に添加することが行われているが、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を中立状態のまま添加すると、触媒の前段部分の温度は上昇するものの、後段部分の温度上昇は十分でなく、触媒全体のＳＯx 被毒回復が十分に行えないか、全体の温度が上昇する前に前段面の温度が過度に上昇して熱劣化してしまうおそれがある。この温度状態を図２５に示す。
そこで、ＳＯx 被毒回復制御が必要になった時点で、還元剤を排気ガス中に供給するとともに、図２１、図２２に示すように、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を交互に切り換える。図２１の状態で、排気ガスは第３の構造体１７ｃのＮＯx 触媒を通過し、還元剤の燃焼によりＮＯx 触媒を昇温させる。逆に、図２２の状態では、同様の作用で、第１の構造体１７ａのＮＯx 触媒を還元剤により昇温させる。図２１、図２２の状態を繰り返すことで、図２３のように触媒を温度を昇温しＳＯx 被毒を回復する。なお、ＳＯx 被毒回復温度約６００℃であり、この温度以上となるまで、ＳＯx 被毒回復制御を行う。
なお、還元剤添加の代わりに、副噴射制御、燃料点火時期遅角制御を行う場合にも、同様に排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を交互に切り換えるようにすると、上記と同様の作用効果を得ることができる。
このような制御によれば、過昇温する前に排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を制御できるので、触媒を均一に昇温でき、過熱による熱劣化を防止できる。
＜第６の実施形態＞
ここでは、前記第１の構造体１７ａと第２の構造体１７ｂとが、排気浄化触媒としてＮＯx 触媒を有するとともに、第３の構造体１７ｃが低温時に排気ガス中の有害成分を吸着し温度が高くなると放出する有害成分吸着材を有する。有害成分吸着材としては、ゼオライトなどの多孔質体による物理吸着を利用したものや、酸点を有したイオン交換ゼオライト、シリカ、アルミナ等の化学吸着を利用したものが挙げられ、ＨＣやＮＯx を冷間運転時に吸着する。
エンジン始動直後などの冷間運転時に、図２６のように、第１から第２、第３の構造体１７ｃを排気ガスが流れるように排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を制御する。冷間時におけるＨＣやＮＯx は、活性化していない第１の構造体１７ａのＮＯx 触媒を通過するが、第２の構造体１７ｂの有害成分吸着材に捕捉される。
しばらくして暖機が終了すると、この時点で第１の構造体１７ａのＮＯx 触媒の温度の方が第３の構造体１７ｃのＮＯx 触媒の温度より高いので、排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を図２７のように切り換え、排気ガスが、第３から第２、第１の構造体１７ａを流れるようにする。
これにより、温度が上昇して第２の構造体１７ｂの有害成分吸着材から離脱したＨＣやＮＯx は、高温となって活性化した第１の構造体１７ａのＮＯx 触媒に吸収される。
図２６や図２７の状態では、触媒を通過する経路が長く、経路断面積が小さいので圧力損失が大きくなる。そこで、暖機が終了して、第２の構造体１７ｂの有害成分吸着材からＨＣ等が離脱して浄化されたと判断される程の時間が経過したら、図２８のように排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を中立位置にして、触媒等の排気通路断面積を大きくしかつ経路長を短くし、背圧の圧力低下を防止する。
＜第７の実施形態＞
この例は、第２の実施形態と同様に、第２の構造体１７ｂ内にウォールフロー型パティキュレート・フィルタを設けたものである。第１の構造体１７ａと第２の構造体１７ｂに設ける触媒は、酸化触媒、ＮＯx 触媒他各種触媒を設けることができる。
この実施形態で、フィルタには、活性酸素放出剤が担持されている。
＜フィルタの構造＞
図２９にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図２９において（Ａ）は第１の構造体１７ａと第３の構造体１７ｃの間に設けた第２の構造体１７ｂのパティキュレートフィルタ２２の横断面図を示しており、（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ断面図を示している。図６（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気ガス流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気ガス流出通路５１とにより構成される。なお、図２９（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０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２２は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図２９（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００２９】
本発明による実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒と、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取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活性酸素放出剤が坦持されている。
【００３０】
前記貴金属触媒としては白金Ｐｔを用いることができる。また、前記活性酸素放出剤は、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、 セシム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くとも一つから構成することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
この実施の形態では、アルミナなどの担体上に、貴金属触媒として白金Ｐｔと、活性酸素放出剤としてカリウムＫが坦持された場合を例にとって説明する。
＜フィルタによる微粒子の連続酸化処理＞
次に、パティキュレートフィルタ２２による排気ガス中の微粒子除去作用について説明する。なお、この機能は、活性酸素放出剤として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、および遷移金属を用いても同様なメカニズムで微粒子除去作用が行われる。
【００３３】
本例を適用した圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内では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２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００３４】
図３０（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面および隔壁５４内の細孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図３０（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。
【００３５】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図３０（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３０（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、一部の硝酸イオンＮＯ3-は硝酸カリウムＫＮＯ3を生成する。
【００３６】
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。
【００３７】
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剤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。
【００３８】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキユレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図３０（Ｂ）において６２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００３９】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ3 がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、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。
【００４０】
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が微粒子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。ただし、硫酸カリウムＫ2ＳＯ4は安定しているため、硝酸カリウムＫＮＯ3 に比べ、活性酸素は放出しづらい。
【００４１】
一方、微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ3 や硫酸カリウムＫ2ＳＯ4のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸素Ｏが微粒子６２に接触すると微粒子６２は短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子６２は完全に消滅する。従って微粒子６２はパティキュレートフィルタ２２上に堆積することがない。
【００４２】
従来のようにパテイキュレートフイルタ２２上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２２が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、従ってこのような火炎を伴う燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００４３】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると本発明では従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子６２が酸化除去せしめられている。従って本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００４４】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温で行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子がほとんど堆積しないので微粒子の燃えカスであるアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００４５】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ4によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ3が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ4 を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ4は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ4が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ4 によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００４６】
しかしながらこの場合、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属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パティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属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、バリウムＢａを用いることが好ましいことになる。
【００４７】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。従ってパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量は、パティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００４８】
図３２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３２において横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃焼室から排出される微粒子の量を排出微粒子量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、即ち図３２の領域Ｉでは燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２に接触するや否や短時間のうちにパティキュレートーフィルタ２２上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００４９】
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３２の領域IIでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図３１(Ａ)〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
【００５０】
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図３１（Ａ）に示すように微粒子６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図３１（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われるようになる。
【００５１】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ、ＳＯ2 の酸化作用および活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図３１（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分６３の上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出剤６１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子６４上に更に別の微粒子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２２上には微粒子が積層状に堆積してしまう。
【００５２】
このように図３２の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図３２の領域IIでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉの範囲にすることが望ましい。
【００５３】
しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２２の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。
【００５４】
このように運転状況によっては排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも増大して、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。
【００５５】
この堆積した微粒子を酸化除去するために、前記した排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）を第２の実施の形態と同様に交互に切換える。排気切換弁（７０ａ，７０ｂ）が切り換えられると、パティキュレートフィルタ２２の排気上流側と排気下流側とが逆転し、切り換え前にパティキュレートフィルタ２２の排気下流側であった部分において、微粒子が活性酸素放出剤６１の表面に付着して活性酸素Ｏが放出され、この微粒子が酸化除去される。この放出される活性酸素Ｏの一部は、排気ガスと共にパティキュレートフィルタ２２の排気下流側へ移動し、ここに堆積する微粒子を酸化除去する。ここでは前述したように、微粒子はパティキュレートフィルタ２２の両面で順流方向と逆流方向に撹乱され、パティキュレートフィルタ２２の両面で、あるいは基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点に出合い酸化される。
【００５６】
このようにして酸化されなかった微粒子がパティキュレートフィルタ２２に堆積し始めているときに、このパティキュレートフィルタ２２の排気上流側と下流側とを逆転することにより、パティキュレートフィルタ２２から微粒子を完全に酸化除去することができる。
【００５７】
またパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積した場合は、排気ガスの一部又は全体の空燃比を一時的にリッチにすることにより、堆積した微粒子が輝炎を発することなく酸化せしめられる。排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられ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によって堆積した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で燃焼除去せしめられる。
【発明の効果】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置によれば、第１の構造体、第２の構造体、第３の構造体を備え、排気ガスの流れをこれら構造体の選択により長い経路で、あるいは短い経路で排気浄化に使用できるので、触媒機能を運転状況に応じた最適な状態にて使用できる。
また、構造的にコンパクトな構造にすることが可能であり、車両の軽量化や設計のしやすさに貢献できる。
さらに、ＳＯx 被毒、失活防止等の制御のため、排気ガスの流れ順を変更することにより触媒の温度管理が容易となり、容易にＳＯx 被毒や失火防止を行うことができる。
また、パティキュレート・フィルタを設けた場合に、排気ガスの流れ方向を正逆転換することで、微粒子の離脱処理を容易に行うことができ、フィルタ再生を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態の概略構成図である。
【図２】  基本燃料噴射時間のマップの一例を示す図である。
【図３】  機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図４】  吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸放出作用を説明するための図である。
【図５】  排気浄化装置の一例を示す図
【図６】  図５の断面図
【図７】  排気切換弁の駆動装置を示す図
【図８】  排気切換弁まわりの変形例を示す図
【図９】  第１の実施形態の制御例を示す図
【図１０】  第１の実施形態の制御例を示す図
【図１１】  第２の実施形態の制御例を示す図
【図１２】  第２の実施形態の制御例を示す図
【図１３】  第３の実施形態の制御例を示す図
【図１４】  第３の実施形態の制御例を示す図
【図１５】  第３の実施形態の制御例を示す図
【図１６】  第３の実施形態の温度履歴を示す図
【図１７】  第４の実施形態の制御例を示す図
【図１８】  第４の実施形態の制御例を示す図
【図１９】  第４の実施形態の制御例を示す図
【図２０】  第４の実施形態の温度履歴を示す図
【図２１】  第５の実施形態の制御例を示す図
【図２２】  第５の実施形態の制御例を示す図
【図２３】  第５の実施形態の温度履歴を示す図
【図２４】  従来の制御例を示す図
【図２５】  従来制御による温度履歴を示す図
【図２６】  第６の実施形態の制御例を示す図
【図２７】  第６の実施形態の制御例を示す図
【図２８】  第６の実施形態の制御例を示す図
【図２９】  ウォールフロー型パティキュレート・フィルタを示す図であり、（Ａ）は第１の構造体と第３の構造体の間に設けた第２の構造体のパティキュレートフィルタの横断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ断面図である。
【図３０】微粒子の酸化作用を示す概念図
【図３１】微粒子の堆積作用を示す概念図
【図３２】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
【符号の説明】
１  エンジン本体（内燃機関）
３  燃焼室
４  点火栓
１１  燃料噴射弁（被毒回復手段）
１６  排気管（排気通路）
１８  排気浄化装置
１９  排気管（排気通路）
２１  エアフロメータ
２２  パティキュレート・フィルタ
２３  入ガスＳＯxセンサ（入ガスＳＯx濃度検出手段）
２４  出ガスＳＯxセンサ（出ガスＳＯx濃度検出手段）
２５  温度センサ
２７  空燃比センサ
３０  ＥＣＵ
６１  活性酸素放出剤
【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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