(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する排気の空燃比がリーンのときには排気中のＮＯxを吸蔵し流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出還元するＮＯx吸蔵剤と、
燃料噴射を遅角させて未燃焼で前記ＮＯｘ吸蔵剤に到達する燃料を増大させることによって前記ＮＯx吸蔵剤を昇温させる昇温制御を行う昇温手段と、
内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
吸気系に気化した燃料を供給するための燃焼式ヒータと、を備え、
前記昇温手段が、前記運転状態検出手段により検出した内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯx吸蔵剤を所定温度まで前記昇温制御により昇温する際に、前記燃焼式ヒータによって加熱されて気化した燃料を吸気系に供給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】
前記燃焼式ヒータは電子着火手段を備え、この電子着火手段への供給電気エネルギを抑制して燃料が着火せずに気化のみする温度に加熱され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吸蔵剤は排気中の微粒子を一時捕獲するパティキュレートフィルタに担持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
周囲に過剰酸素が存在するときは酸素を吸蔵して酸素を保持し、周囲の酸素濃度が低下したときは保持している酸素を活性酸素として放出する活性酸素放出剤をフィルタ上に担持し、放出された活性酸素によってフィルタ上に堆積した微粒子を酸化させる請求項１から３のいずれか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、アルカリ金属、アルカリ土金属、希土類または遷移金属から選択されたものである請求項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】
近年、自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気（所謂、リーン空燃比の混合気）を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・ガソリン機関では、この内燃機関の排気系にＮＯx吸蔵剤を配置する技術が提案されている。このＮＯx吸蔵剤の一つとして、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出しつつ窒素（Ｎ2）に還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒が知られている。
【０００３】
吸蔵還元型ＮＯx触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵され、吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯx）が放出されつつ窒素（Ｎ2）に還元される。
【０００４】
ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒（ＳＯx被毒）といい、ＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期にＳＯx被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温（例えば６００乃至６５０℃程度）にしつつ酸素濃度を低下させた排気をＮＯx触媒に流通させて行われている。
【０００５】
ところが希薄燃焼運転時の排気の温度は低いため、ＳＯx被毒の回復に必要とされる温度まで触媒を昇温させることは困難である。このようなときに、排気中へ燃料の供給を行うことにより触媒の温度を上昇させつつ排気の酸素濃度を低下させることができる。
【０００６】
例えば、特開平１１−３４３８３６号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置では、吸蔵還元型ＮＯx触媒の被毒回復が必要となった場合には、この吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比近傍に維持しつつ、間欠的に空燃比を理論空燃比よりも小さくしている。これにより、被毒回復中の大部分の時間は理論空燃比近傍の空燃比に維持されるため、排気中の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の発生を抑制することが可能となる。
【０００７】
また、間欠的に空燃比を理論空燃比よりも小さくすることにより、被毒回復中の平均空燃比は理論空燃比よりもリーンになるが、ＮＯx触媒の硫黄被毒を回復させることが可能となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に記載の排気浄化装置では、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度及び硫黄酸化物の吸蔵量が被毒回復制御の開始条件を満たしているとき、吸蔵還元型ＮＯx触媒の昇温制御が行われる。
【０００９】
しかし、いわゆる低圧縮比エンジン（ε＜１６．５）では、圧縮端温度が低くなるため、低温軽負荷の条件下で、通常の方法によってＮＯｘ触媒に流入する排気温度を昇温させようとすると、失火してしまう場合がある。
【００１０】
すなわち、排気温度の昇温のために吸気を減らし、かつ排気系の排気の一部を吸気系へ再循環させる排気再循装置（以下、ＥＧＲ装置とする。）による再循環する排気量を増大させて吸気温度及び排気温度の低下を抑制し、さらに燃料の噴射時期の遅角によって排気中に未燃燃料成分を増大させる。そしてＮＯｘ吸蔵剤においてこれを酸化反応させてＮＯｘ吸蔵剤の温度を昇温させる制御（以下、昇温制御という）を実行する場合、内燃機関の燃焼がきわめて不安定になり、失火を生じる虞がある。
【００１１】
換言すれば、低圧縮比エンジンのような場合は、失火によってＮＯｘ触媒に対する上述した昇温制御が実行できなくなる領域が存在する。
【００１２】
本発明は以上の問題を解決するためになされたものであり、低圧縮比エンジンであっても低温で軽負荷の条件下において失火することなく、燃料噴射を遅角させて未燃焼でＮＯｘ触媒に到達する燃料を増大させることによってＮＯｘ触媒を昇温させる昇温制御が可能である技術を提供することを技術的課題とする。
【００１３】
【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、以下のような手段を採用した。即ち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、流入する排気の空燃比がリーンのときには排気中のＮＯxを吸蔵し流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出還元するＮＯx吸蔵剤と、燃料噴射を遅角させて未燃焼で前記ＮＯｘ吸蔵剤に到達する燃料を増大させることによって前記ＮＯx吸蔵剤を昇温させる昇温制御を行う昇温手段と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、吸気系に気化した燃料を供給するための燃焼式ヒータと、を備え、前記昇温手段が、前記運転状態検出手段により検出した内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯx吸蔵剤を所定温度まで前記昇温制御により昇温する際に、前記燃焼式ヒータによって加熱されて気化した燃料を吸気系に供給することを特徴とする。
【００１４】
本発明の最大の特徴は、低圧縮比の内燃機関の排気浄化装置において、昇温制御を実行した場合に失火しそうな条件においてＮＯx吸蔵剤に対する昇温の必要が生じたとき、燃焼式ヒータを用いて吸気系に気化させた燃料を供給することで、如何なる低温軽負荷条件でも、昇温制御を実行して失火することなく必要とする温度までＮＯx吸蔵剤の昇温を可能にすることである。
【００１５】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、昇温制御実行時に吸気系に気化した燃料が供給される。これによって、ＮＯｘ吸蔵剤を昇温させる手段として、燃料噴射を遅角させて、未燃焼でＮＯｘ吸蔵剤に到達する燃料を増大させるような制御を行っても、失火が発生することが有効に抑制される。
【００１６】
前記燃焼式ヒータは電子着火手段を備え、この電子着火手段への供給電気エネルギを抑制して燃料が着火せずに気化のみする程度の温度に加熱されることが望ましい。ここでの燃焼式ヒータの使用は、着火装置であるグロー等に供給する電気エネルギを燃料が燃焼する程度にまで供給せずに、燃料が気化するのみである程度の温度、好ましくは６００℃程度に加熱する程度とする。
【００１７】
これにより、供給された燃料は、気化及び低沸点側の成分に分解、改質されて燃焼室に供給されるので、主燃焼が安定し、失火する噴射時期遅角量は増大する。したがって、排気温度をより高温まで昇温可能となる。
【００１８】
前記ＮＯｘ吸蔵剤は排気中の微粒子を一時捕獲するパティキュレートフィルタに担持されたものとすることができる。
【００１９】
また、周囲に過剰酸素が存在するときは酸素を吸蔵して酸素を保持し、周囲の酸素濃度が低下したときは保持している酸素を活性酸素として放出する活性酸素放出剤をフィルタ上に担持し、放出された活性酸素によってフィルタ上に堆積した微粒子を酸化させるものとすることが可能である。
【００２０】
前記活性酸素放出剤は、アルカリ金属、アルカリ土金属、希土類または遷移金属から選択されたものが使用できる。
【００２１】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、例えば、ＮＯx吸蔵剤の被毒（炭化水素、硫黄酸化物による触媒被毒）を回復する必要が生じたときに、主燃焼を安定した状態に保持しつつ、排気中に供給された燃料の酸化反応熱によって被毒回復に必要とされる温度までＮＯx吸蔵剤が昇温される。この後、内燃機関の運転状態が軽負荷領域に移行すると被毒の回復が行われる。
【００２２】
また、ＮＯｘ吸蔵剤が排気中の微粒子を一時捕獲するパテキュレートフィルタ（以下、フィルタという）に担持されているときは、フィルタに捕獲された微粒子を酸化、除去するためにフィルタ温度を上昇させる昇温制御を実行する。
【００２３】
このように本発明では、種々の目的でＮＯｘ吸蔵剤の昇温が必要となったとき、主燃焼を安定させて失火を生じさせることなく昇温制御を実行できる。
【００２４】
【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具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図、図２は燃焼式ヒータの詳細を示す図である。
【００２６】
図１に示す内燃機関１は、４気筒の水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。内燃機関１には、図示しない吸気枝管が接続されており、吸気枝管の各枝管は、各気筒の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。吸気枝管は、吸気管９に接続され、この吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続されている。前記エアクリーナボックス１０より下流の吸気管９には、この吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１が取り付けられている。
【００２７】
この内燃機関１には、燃焼式マルチパーパスヒータ（以下、燃焼式ヒータという）６０が併設されているので、これについて説明する。
【００２８】
この燃焼式ヒータ６０は、図２に示すように、外筒１４０と、この外筒１４０に内装される中間筒１４１と、中間筒１４１に内装され、内燃機関１とは独立して内燃機関１用の燃料を燃焼させる燃焼筒１４２とを備えている。
【００２９】
前記燃焼筒１４２は、燃料を気化するための気化グロープラグ（図示せず）と、前記気化グロープラグによって気化された燃料に着火するための点火グロープラグ（図示せず）とを具備している。なお、気化グロープラグと点火グロープラグとは、単一のグロープラグで兼用されるようにしてもよい。
【００３０】
前記中間筒１４１と燃焼筒１４２との間には、前記燃焼筒１４２で発生した燃焼ガスを流すための燃焼ガス通路２０１が形成されている。前記中間筒１４１の適当な部位には、前記燃焼ガス通路２０１と前記外筒１４０の外部とを連通する燃焼ガス排出ポート１４５が形成されている。
【００３１】
次に、燃焼筒１４２には、燃料導入管２７が接続されている。この燃料導入管２７は、図１に示すように、燃料ポンプ２６に接続され、前記燃料ポンプ２６から吐出された燃料が前記燃料導入管２７を介して前記燃焼筒１４２へ供給されるようになっている。
【００３２】
一方、前記外筒１４０には、前記燃焼筒１４２へ燃焼用の空気を送り込むための送風ファン１４９と、この送風ファン１４９を回転駆動するモータ１５０とを内装したハウジング１４８が取り付けられている。
【００３３】
前記ハウジング１４８には、このハウジング１４８内に燃焼用空気を取り込むための吸気ポート１５１が形成されている。前記吸気ポート１５１には、図２に示すように、吸気導入通路１８が接続され、この吸気導入通路１８は、前記エアクリーナ１０の下流の吸気管９に接続されている。
【００３４】
前記吸気導入通路１８の途中には、この吸気導入通路１８内を吸気の流通を開閉する開閉弁２９が設けられている。この開閉弁２９には、ステップモータ等で構成されてこの開閉弁２９を開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられている。この開閉弁２９の開閉により、必要時に吸気が燃焼式ヒータ６０に送られ、これに気化した燃料が混合される。また、通常運転時は開閉弁２９は閉じられており、吸気は燃焼式ヒータ６０を経由せずに内燃機関１に到達する。
【００３５】
他方、燃焼ガス通路２０１の一端には排気ポート１４５が設けられ、この排気ポート１４５にはヒータ排気通路３１の一端が接続されている。一方、このヒータ排気通路３１の他端は、前記吸気導入通路１８の下流の吸気管９に接続されている。
【００３６】
また、前記外筒１４０と前記中間筒１４１との間には、内燃機関１の冷却水を流すためのヒータ内冷却水路２００が形成されている。前記外筒１４０には、前記ヒータ内冷却水路２００内に冷却水を取り入れるための冷却水導入ポート１４３と、前記ヒータ内冷却水路２００内の冷却水を排出するための冷却水排出ポート１４４とが形成されている。
【００３７】
前記冷却水導入ポート１４３は、図２に示すように、内燃機関１の図示しないウォータジャケットと冷却水導入管２２を介して連通し、また前記冷却水排出ポート１４４は、前記ウォータジャケットと冷却水排出管２３を介して連通している。
【００３８】
前記冷却水導入管２２の途中には、電動式のウォータポンプ２４が設けられ、内燃機関１のウォータジャケット内を流れる冷却水が前記冷却水導入ポート１４３へ強制的に送り込まれるようになっている。
【００３９】
前記冷却水排出管２３の途中には、室内用暖房装置のヒータコア３０が配置され、前記冷却水排出管２３を流れる冷却水が持つ熱が暖房用空気へ伝達される。
【００４０】
また、ヒータ内冷却水路２００を流れる冷却水により、燃焼式ヒータ６０から排出される気化した燃料が混合された排気が冷却され、これが所定の温度になるように調整可能となっている。
【００４１】
このように構成された燃焼式ヒータ６０は、気化した燃料を内燃機関１の燃焼室に供給する他、内燃機関１本体の予熱や暖機促進、室内用暖房装置の性能向上等を図る必要が生じた場合に作動される。
【００４２】
具体的には、燃焼式ヒータ６０では、モータ１５０が送風ファン１４９を作動させて吸気管３内を流れる吸気の一部を燃焼式ヒータ６０の燃焼筒１４２へ供給し、燃料ポンプ２６が、図示しない燃料タンク内の燃料を吸い上げて燃焼式ヒータ６０の燃焼筒１４２へ供給する。そして、燃焼筒１４２のグロープラグが通電されて、前記送風ファン１４９によって送られた吸気と前記燃料ポンプ２６によって供給された燃料との混合機は、グロープラグにより加熱されて気化する。
【００４３】
ここでは、内燃機関１に気化燃料を供給する場合、すなわち、後述するパテキュレートフィルタ２０の昇温制御を実施する場合は、グロープラグに供給する電気エネルギを抑制し、燃料が着火せずに気化だけするような６００℃前後の温度に加熱する。気化用と点火用のグロープラグが別個に設けられている場合は、気化用のグロープラグのみに通電することで、燃料を気化させ、着火させない。これにより、供給された燃料である軽油は、気化及び低沸点側の成分に分解、改質され、燃焼室に供給されるので、主燃焼が安定する。
【００４４】
前記燃焼筒１４５内で気化した燃料は、送風ファン１４９によって送り出される吸気の圧力によって燃焼筒１４５内から燃焼ガス通路２０１へ押し出され、次いで燃焼ガス通路２０１から燃焼ガス排出ポート１４５へ排出される。排出ポート１４５に排出された燃焼ガスは、ヒータ排気通路３１および吸気管９を経て内燃機関１の燃焼室に送られる。
【００４５】
上記の気化燃料の供給時以外、すなわち内燃機関１の始動時の暖気やヒータコア３０への冷却水の循環等が必要な場合は、グロープラグの温度を１，０００℃近くまで加熱して、燃料を気化、着火させて空気を供給しながらこれを連続燃焼させる。この場合は、供給した燃料は完全燃焼し、燃料が有している燃焼エネルギはほとんどが供給される空気温度の上昇に使用される。しがたって、ウォータポンプ２４が作動して内燃機関１のウォータジャケット内の冷却水を燃焼式ヒータ６０の冷却水導入ポート１４３へ圧送することで、冷却水が加熱される。
【００４６】
ウォータポンプ２４によって燃焼式ヒータ６０の冷却水導入ポート１４３へ圧送された冷却水は、前記冷却水導入ポート１４３からヒータ内冷却水路２００へ導かれ、ヒータ内冷却水路２００を通った後に冷却水排出ポート１４４へ排出される。
【００４７】
その際、燃焼ガス通路２０１を流れる燃焼ガスの熱が中間筒１４４の壁面を介してヒータ内冷却水路２００内を流れる冷却水に伝達され、冷却水の温度が上昇する。このように、ヒータ内冷却水路２００と燃焼ガス通路２０１は、熱交換部を実現する。
【００４８】
このようにして昇温された冷却水は、冷却水排出ポート１４４から冷却水排出管２３へ排出され、ヒータコア３０を経て内燃機関１のウォータジャケット内へ戻され、ウォータジャケット内を循環する。ヒータコア３０では、冷却水が持つ熱の一部が暖房用空気に伝達され、暖房用空気を昇温させる。
【００４９】
さらに図１では、燃焼式ヒータ６０の下流の吸気管９には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられ、コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１６が設けられている。
【００５０】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス１０に流入した吸気は、このエアクリーナボックス１０内のエアフィルタ（図示省略）によって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介して燃焼式ヒータ６０を経由し、あるいは経由しないで、コンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００５１】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、このコンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１６にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管に流入する。このように、コンプレッサハウジング１５ａの下流に位置する部位には、この吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステップモータ等で構成されてこの吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００５２】
吸気枝管に流入された吸気は、各気筒２の燃焼室へ分配される。そして各気筒２の燃料噴射弁から噴射された燃料を着火源として燃焼される。燃焼式ヒータ６０において供給された気化燃料と吸気との混合気が燃焼室に供給される場合は、その気化燃料と燃焼室で噴射される燃料との合計が、燃料室にて供給されるべき燃料の総量となる。
【００５３】
一方、内燃機関１には、排気枝管が接続され、排気枝管の各枝管が排気ポート（図示省略）を介して各気筒の燃焼室と連通している。
【００５４】
前記排気枝管は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。
【００５５】
前記排気管１９の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２０が設けられている。フィルタ２０より上流の排気管１９には、この排気管１９内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２４が取り付けられている。
【００５６】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管へ排出され、次いで排気枝管から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、この排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００５７】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介してフィルタ２０へ流入し、排気中のパティキュレート（ＰＭ）が捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。フィルタ２０にてＰＭを捕集され且つ有害ガス成分を除去又は浄化された排気は、マフラーを介して大気中に放出される。
【００５８】
また、排気枝管と吸気枝管とは、排気枝管内を流通する排気の一部を吸気枝管へ再循環させる排気再循環通路（以下、ＥＧＲ通路とする）２５を介して連通されている。このＥＧＲ通路２５の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２５内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスとする。）の流量を変更する流量調整弁（以下、ＥＧＲ弁とする。）２６が設けられている。
【００５９】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、ＥＧＲ通路２５が導通状態となり、排気枝管内を流通する排気の一部が前記ＥＧＲ通路２５へ流入し、吸気枝管へ導かれる。
【００６０】
ＥＧＲ通路２５を介して排気枝管から吸気枝管へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒の燃焼室へ導かれる。
【００６１】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、熱容量が高い不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が抑制される。
【００６２】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２０について説明する。
【００６３】
図３は、フィルタ２０の断面図である。図３（Ａ）は、フィルタ２０の横方向断面を示す図である。図３（Ｂ）は、フィルタ２０の縦方向断面を示す図である。
【００６４】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタ２０は、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流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図３（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、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００６５】
フィルタ２０は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路５０内に流入した排気は図３（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流出通路５１内に流出する。
【００６６】
本発明では、各排気流入通路５０および各排気流出通路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、この担体上に吸蔵還元型ＮＯx触媒が坦持されている。
【００６７】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２０に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒の働きについて説明する。
【００６８】
フィルタ２０は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持し、更にＯ2ストレージ能力のあるセリア（Ｃｅ2Ｏ3）を添加して構成される吸蔵還元型ＮＯx触媒を採用した。
【００６９】
このように構成されたＮＯx触媒は、このＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵する。
【００７０】
一方、ＮＯx触媒は、このＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、ＮＯx触媒は、このＮＯx触媒から放出された窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ2）に還元せしめることができる。
【００７１】
ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）がＮＯx触媒に吸蔵されることになるが、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）がＮＯx触媒にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【００７２】
特に、内燃機関１のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和し易い。
【００７３】
従って、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和する前にＮＯx触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、ＮＯx触媒に吸蔵された窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元させる必要がある。
【００７４】
このように酸素濃度を低下させる方法としては、排気中の燃料添加や、前記した低温燃焼、気筒２内への膨張行程中の燃料噴射等の方法が考えられる。
【００７５】
本実施の形態では、気筒２内における燃料の主噴射とは別に、主噴射から時期を遅らせて副噴射をすることで、未燃燃料を排気中に供給することができる。これによりフィルタ２０より上流の排気管１９を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）が添加され、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【００７６】
上記のようにして形成された酸素濃度の低い排気はフィルタ２０に流入し、フィルタ２０に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯx）を放出させつつ窒素（Ｎ2）に還元することになる。
【００７７】
以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００７８】
ＥＣＵ３５には、エアフローメータ１１、排気温度センサ２４等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。
【００７９】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁、吸気絞り用アクチュエータ１４、ＥＧＲ弁２６、等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００８０】
ここで、ＥＣＵ３５は、図４に示すように、双方向性バス３５０によって相互に接続された、ＣＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バックアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備えている。
【００８１】
前記入力ポート３５６は、クランクポジションセンサ３３のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００８２】
また、前記入力ポート３５６は、エアフローメータ１１、排気温度センサ２４、アクセル開度センサ３６、等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００８３】
前記出力ポート３５７は、燃料噴射弁、吸気絞り用アクチュエータ１４、ＥＧＲ弁２６、水冷排気クーラ２８、開閉弁２９、等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁、吸気絞り用アクチュエータ１４、ＥＧＲ弁２６等へ送信する。
【００８４】
前記ＲＯＭ３５２は燃料噴射弁を制御するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁１３を制御するための吸気絞り制御ルーチン、ＥＧＲ弁２６を制御するためのＥＧＲ制御ルーチン、フィルタ２０に還元剤を添加して吸蔵されたＮＯxを放出させるＮＯx浄化制御ルーチン、フィルタ２０のＳＯx被毒を回復する被毒回復制御ルーチン、フィルタ２０に捕集された微粒子を燃焼除去するための微粒子燃焼制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００８５】
前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気絞り弁１３の目標開度との関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態とＥＧＲ弁２６の目標開度との関係を示すＥＧＲ弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と還元剤の目標添加量（若しくは排気の目標空燃比）との関係を示す還元剤添加量制御マップ、等である。
【００８６】
前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、図示しないクランクポジションセンサがパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサがパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【００８７】
前記バックアップＲＡＭ３５４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【００８８】
前記ＣＰＵ３５１は、前記ＲＯＭ３５２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料−噴射弁制御、吸気絞り制御、ＥＧＲ制御、ＮＯx浄化制御、被毒回復制御、微粒子燃焼制御等を実行する。
【００８９】
前記被毒回復制御では、ＣＰＵ３５１は、フィルタ２０の酸化物による被毒を回復すべく被毒回復処理を行うことになる。
【００９０】
ここで、内燃機関１の燃料には硫黄（Ｓ）が含まれている場合があり、そのような燃料が内燃機関１で燃焼すると、二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）などの硫黄酸化物（ＳＯx）が生成される。
【００９１】
硫黄酸化物（ＳＯx）は、排気とともにフィルタ２０に流入し、窒素酸化物（ＮＯx）と同様のメカニズムによってフィルタ２０に吸蔵される。
【００９２】
具体的には、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が高いときには、流入排気ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）等の硫黄酸化物（ＳＯx）が白金（Ｐｔ）の表面上で酸化され、硫酸イオン（ＳＯ42-）の形でフィルタ２０に吸蔵される。更に、フィルタ２０に吸蔵された硫酸イオン（ＳＯ42-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ4）を形成する。
【００９３】
ところで、硫酸塩（ＢａＳＯ4）は、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）に比して安定していて分解し難く、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が低くなっても分解されずにフィルタ２０内に残留してしまう。
【００９４】
フィルタ２０における硫酸塩（ＢａＳＯ4）の量が増加すると、それに応じて窒素酸化物（ＮＯx）の吸蔵に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）の量が減少するため、フィルタ２０のＮＯx吸蔵能力が低下する、いわゆるＳＯx被毒が発生する。
【００９５】
フィルタ２０のＳＯx被毒を回復する方法としては、フィルタ２０の雰囲気温度をおよそ６００乃至６５０℃の高温域まで昇温させるとともに、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低くすることにより、フィルタ２０に吸蔵されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）をＳＯ3-やＳＯ4-に熱分解し、次いでＳＯ3-やＳＯ4-を排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応させて気体状のＳＯ2-に還元する方法を例示することができる。
【００９６】
そこで、本実施の形態に係る被毒回復処理では、ＣＰＵ３５１は、先ずフィルタ２０の床温を高める触媒昇温制御を実行した上で、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低くする。
【００９７】
触媒昇温制御では、ＣＰＵ３５１は、最初に、硫黄被毒回復をすべき状況にある場合、すなわち、これらの制御を実行すべきとするフラグが設定されている場合に本制御をスタートする。
【００９８】
スタートする条件としては、硫黄被毒再生の場合は、燃料の消費積算量やＮＯxセンサ（図示省略）からの出力信号、車両走行距離等により判定する。ここで、燃料中の硫黄成分によりフィルタ２０に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒が被毒するので、燃料の消費積算量をＲＡＭ３５３に記憶させ、この燃料の添加量が所定量に達したときを硫黄被毒回復制御の開始条件としても良い。また、硫黄被毒が進行すると吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯxの吸収量が減少し、フィルタ２０下流に流通するＮＯxの量が増大する。従って、フィルタ２０の下流にＮＯxセンサ（図示省略）を設け、この出力信号を監視し、ＮＯxの流通量が所定量以上になったときを硫黄被毒回復制御の開始条件としてもよい。更に、車両走行距離が所定値以上になった場合には、硫黄被毒の回復が必要であるとしてこのときを硫黄被毒回復制御のフラグをセットする。
【００９９】
このフラグのセットがされたら、ＣＰＵ３５１は、先ずアクセル開度センサ３６及びクランクポジションセンサ３３からの情報に基づいて、内燃機関１の運転状態を把握する。内燃機関１が運転状態が軽負荷であれば、燃焼式ヒータ６０を作動させて、開閉弁２９を開き、気化した燃料（軽油）を吸気管９に送り、これを燃焼室に供給する。また同時に、各気筒における燃料噴射の時期を遅角させる。このように燃料噴射時期を遅らせることにより、気筒内で燃焼せずに未燃成分として排気中に供給される燃料を増加させることができる。
【０１００】
図５は、気化した燃料（可燃ガス）を燃焼式ヒータ６０によって燃焼室に供給した場合と、これを供給しない場合との比較を示す図である。ここでは気化した燃料を供給しないときは、排気温度は４００℃以下であるが、これを供給することで排気温度を約６００℃まで上昇させられることがわかる。
【０１０１】
また、燃焼式ヒータ６０を経由した気化した燃料と吸気との混合気の温度が所定温度以上の場合は、ヒータ内冷却水路２００を流れる冷却水の量の調整によって制御、冷却する。
【０１０２】
上記のように排気温度が上昇する理由は、燃料噴射時期を遅角させた場合の失火限界が上死点から離れる側に拡大されるためであり、高温の未燃燃料成分が排気中に多く存在するようになるからである。それらの未燃燃料成分をフィルタ２０において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタ２０の床温を高めるようにする。
【０１０３】
また、この触媒昇温制御では上記の方法に加え、ＣＰＵ３５１は、図示しない還元剤噴射弁を排気通路１９に設けて、この還元剤噴射弁から燃料を噴射させることにより、フィルタ２０においてその燃料を酸化させ、その際に発生する熱によってフィルタ２０の昇温を高めるようにしてもよい。このときに還元剤噴射弁から噴射される燃料は、ＮＯxの放出・還元時に行われる燃料噴射よりも噴射間隔が短く、且つそのときの空燃比は高くなるように噴射量が設定される。
【０１０４】
但し、フィルタ２０が過剰に昇温すると、フィルタ２０の熱劣化が誘発される虞があるため、排気温度センサ２４の出力信号値に基づいて副次的な噴射燃料量及び添加燃料量がフィードバック制御されるようにすることが好ましい。
【０１０５】
上記したような触媒昇温方法によりフィルタ２０の床温が、例えば６３０℃の高温域まで上昇すると、ＣＰＵ３５１は、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるべく排気中に燃料を供給する。
【０１０６】
なお、過剰な燃料が供給されると、それらの燃料がフィルタ２０で急激に燃焼してフィルタ２０が過熱し、或いは過剰な燃料によってフィルタ２０が不要に冷却される虞があるため、ＣＰＵ３５１は、空燃比センサ（図示省略）の出力信号に基づいて燃料供給量をフィードバック制御するようにすることが好ましい。
【０１０７】
このように被毒回復処理が実行されると、フィルタ２０の床温が高い状況下で、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度が低くなるため、フィルタ２０に吸蔵されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）がＳＯ3-やＳＯ4-に熱分解され、それらＳＯ3-やＳＯ4-が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して還元され、フィルタ２０のＳＯx被毒が回復されることになる。
【０１０８】
次に、ＣＰＵ３５１は、排気温度センサ２４の出力信号を読み込み、フィルタ２０の温度を推定する。フィルタ２０の温度は、吸入空気量（エアフローメータ１１の出力信号）、回転数、負荷、燃料噴射量等から推定される。また、予め実験により求めた値をマップ化してフィルタ２０の温度を求めても良い。更に、フィルタ２０に温度センサを設けて直接このフィルタ２０の温度を測定するようにしても良い。
【０１０９】
このようにして、求められた実際の温度と、フィルタ２０の目標温度（ＳＯx被毒回復では、例えば６３０℃）とが比較される。そして、実際のフィルタ２０温度が目標温度よりも高い場合には、燃料の添加量が減少され、一方、実際のフィルタ２０温度が目標温度よりも低い場合には、燃料の添加量が増加される。
【０１１０】
また、低負荷領域では、直ちにＳＯx被毒回復が開始できるようにフィルタ２０の温度はＳＯx被毒回復に必要となる例えば６３０℃に維持される。
【０１１１】
このようにしてフィルタ２０の温度が所定温度に昇温させたら、上記のように酸素濃度を低下させてＳＯx被毒回復を実施する。
＜その他の実施の形態＞
上記の実施の形態では、昇温制御の例として、フィルタ２０に担持したＮＯｘ吸蔵剤のＳＯx被毒回復の場合について説明したが、昇温制御によってフィルタ２０を昇温させる必要があるのは、これに限られず、フィルタ２０が捕獲した排気中の微粒子をフィルタ２０から除去する場合もある。
【０１１２】
前記フィルタ２０は、排気に接する面に触媒が担持されており、触媒作用により微粒子の着火温度を低くし、比較的低温で微粒子を燃焼させて除去することができる。このようなフィルタとしては、例えば、白金属金属及びアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたものが公知である。このフィルタでは、ほぼ３５０℃から４００℃程度の比較的低温で微粒子に着火させることができ、これを連続的に燃焼させることができる。
【０１１３】
しかしながら、フィルタ２０に次から次に微粒子が堆積するとフィルタの詰まりを生じる場合がある。この場合は、堆積した微粒子の急激な燃焼による温度上昇によってフィルタに損傷が及ぶことがないように、微粒子堆積量が比較的少ない適切な時期にこれを燃焼させて除去する必要がある。その場合は、フィルタ２０を約６００℃程度に昇温させて微粒子を燃焼、除去するフィルタ再生制御を実行する。
【０１１４】
このフィルタ再生制御では、ＣＰＵ３５１が、微粒子の酸化除去（以下、フィルタ再生という）が必要か否かを判断する。この場合は、例えば、図示しない差圧センサが検出するフィルタ２０の前後の排気管１９内の差圧が所定値以上となったときは、フィルタ２０に一定量以上の微粒子が堆積したものと推定することができる。このように一定量以上の微粒子が堆積すればフィルタ再生制御のフラグをセットする。
【０１１５】
このフラグがセットされていれば、ＣＰＵ３５１が微粒子が燃焼し得る温度域までフィルタ床温を高めるべく昇温制御を実行する。この具体的方法は、先の実施の形態において述べた方法と同様である。このようにして、フィルタ２０の床温を所定温度まで上昇させる。
【０１１６】
このようなフィルタ再生制御が実行されると、フィルタ２０に堆積していた微粒子が燃焼し、これがフィルタ２０から除去されてフィルタ２０の微粒子の捕集能力が再生される。
【０１１７】
以上説明したように、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置では、フィルタ２０に対する昇温制御の実行時には、燃焼式ヒータ６０によって気化させた燃料を内燃機関１の燃焼室内に送ることができるので、昇温制御時において吸気絞りを行い、燃焼室における燃料噴射を遅角させた場合であっても、燃焼が不安定にならずに失火を生じることが抑制される。
【０１１８】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、低圧縮比エンジンについて低温で軽負荷の条件下において吸気絞り及び燃料噴射を遅角させた場合でも、失火が抑制されるので、排気浄化装置に対する所定の昇温制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系とを併せ示す概略構成図である。
【図２】燃焼式ヒータの概略構成図である。
【図３】（Ａ）は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図である。（Ｂ）は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図４】ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。
【図５】排気温度と失火限界との関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
９・・・・吸気管
１８・・・排気導入通路
１９・・・排気管
２０・・・パティキュレートフィルタ
２４・・・排気温度センサ
２５・・・ＥＧＲ通路
２６・・・ＥＧＲ弁
３０・・・ヒータコア
３１・・・ヒータ排気通路
３５・・・ＥＣＵ
６０・・・燃焼式ヒータ
【図１】
0004032760.tif 000002
【図２】
0004032760.tif 000003
【図３】
0004032760.tif 000004
【図４】
0004032760.tif 000005
【図５】
0004032760.tif 000006