(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、機関排気通路から分岐して環状に延びた後に機関排気通路に戻る環状分岐通路内に配置し、排気ガスを環状分岐通路の一端に導きながらこのとき環状分岐通路の他端から環状分岐通路の一端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する順流位置と、排気ガスを環状分岐通路の他端に導きながらこのとき環状分岐通路の一端から環状分岐通路の他端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する逆流位置との間を切り替え可能な切替弁を具備し、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を切替弁とＮＯＸ触媒間の環状分岐通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、複数の還元剤供給弁を具備し、これら還元剤供給弁をＮＯＸ触媒の一端面に対面配置し、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環状分岐通路内を流通する排気ガスの量が一時的に減少しその分だけ環状分岐通路を迂回する排気ガスの量が増大するようになっており、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それによりＮＯＸ触媒部分内を流通する排気ガスの量が減少されたときに還元剤供給弁からそれぞれ対面するＮＯＸ触媒部分に還元剤を供給すると共に、ＮＯＸ触媒部分内を流通する排気ガスの量がそれぞれわずかな量になったときにこれらＮＯＸ触媒部分に還元剤がそれぞれ供給されるように、還元剤供給弁毎に還元剤供給時期を設定した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
還元剤供給弁により形成される還元剤の噴霧によってＮＯＸ触媒の一端面のほぼ全体が覆われるように還元剤供給弁をそれぞれ位置決めした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
ＮＯＸ触媒が環状分岐通路内に互いに並列配置された複数のＮＯＸ触媒から構成されており、複数の還元剤供給弁をそれぞれ対応するＮＯＸ触媒の一端面に対面配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
ＮＯＸ触媒が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担持されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
パティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子の量が許容量を越えたときに切替弁が順流位置から逆流位置にまたはその逆に切り替えられる請求項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】
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、機関排気通路から分岐して環状に延びた後に機関排気通路に戻る環状分岐通路内に配置し、排気ガスを環状分岐通路の一端に導きながらこのとき環状分岐通路の他端から環状分岐通路の一端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出するようにするか、又は排気ガスを環状分岐通路の他端に導きながらこのとき環状分岐通路の一端から環状分岐通路の他端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出するようにするかを切り替えるための切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２００１−２７１１４号公報参照）。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯとの比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【０００３】
ところで、ＮＯＸ触媒が蓄えうるＮＯＸの量には限界があり、従ってＮＯＸ触媒内に蓄えられたＮＯＸの量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を低下させかつＮＯＸ触媒に還元剤を供給し、それによりＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させる必要がある。そこで上述した公報では、内燃機関で燃焼せしめられる混合気の空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を低下させかつＮＯＸ触媒に還元剤を供給する方法には様々な方法が知られており、例えば切替弁とＮＯＸ触媒間の環状分岐通路内にＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置することも可能である。
【０００５】
しかしながら、このようにすると還元剤供給弁をＮＯＸ触媒から十分に離間することができない場合がある。この場合には還元剤供給弁から供給された還元剤と排気ガスとが十分に混合することができず、その結果ＮＯＸ触媒全体に還元剤を供給することができず、従ってＮＯＸ触媒全体をＮＯＸ浄化のために有効に利用することができないという問題点がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、ＮＯＸ触媒全体をＮＯＸ浄化のために有効に利用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。
【０００７】
【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、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、機関排気通路から分岐して環状に延びた後に機関排気通路に戻る環状分岐通路内に配置し、排気ガスを環状分岐通路の一端に導きながらこのとき環状分岐通路の他端から環状分岐通路の一端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する順流位置と、排気ガスを環状分岐通路の他端に導きながらこのとき環状分岐通路の一端から環状分岐通路の他端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する逆流位置との間を切り替え可能な切替弁を具備し、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を切替弁とＮＯＸ触媒間の環状分岐通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、複数の還元剤供給弁を具備し、これら還元剤供給弁をＮＯＸ触媒の一端面に対面配置し、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環状分岐通路内を流通する排気ガスの量が一時的に減少しその分だけ環状分岐通路を迂回する排気ガスの量が増大するようになっており、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それによりＮＯＸ触媒部分内を流通する排気ガスの量が減少されたときに還元剤供給弁からそれぞれ対面するＮＯＸ触媒部分に還元剤を供給すると共に、ＮＯＸ触媒部分内を流通する排気ガスの量がそれぞれわずかな量になったときにこれらＮＯＸ触媒部分に還元剤がそれぞれ供給されるように、還元剤供給弁毎に還元剤供給時期を設定している。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、還元剤供給弁により形成される還元剤の噴霧によってＮＯＸ触媒の一端面のほぼ全体が覆われるように還元剤供給弁をそれぞれ位置決めしている。
【００１１】
また、３番目の発明によれば１番目の発明において、ＮＯＸ触媒が環状分岐通路内に互いに並列配置された複数のＮＯＸ触媒から構成されており、複数の還元剤供給弁をそれぞれ対応するＮＯＸ触媒の一端面に対面配置している。
【００１４】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、ＮＯＸ触媒が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担持されている。
また、５番目の発明によれば４番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子の量が許容量を越えたときに切替弁が順流位置から逆流位置にまたはその逆に切り替えられる。
【００１５】
【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。
【００１６】
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を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。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。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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６９ｆ及び６９ｒ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。
【００２０】
パティキュレートフィルタ６９の一端面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通気性のないシール材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通気性のないシール材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。
【００２１】
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内には追加の触媒、例えば追加のＮＯＸ触媒７６が収容される。
【００２２】
また、切替弁６１の流入流出ポート６５とパティキュレートフィルタ６９との間の環状排気管６７にはパティキュレートフィルタ６９に還元剤を間欠的に供給するための電気制御式還元剤供給弁７７ａ，７７ｂが取り付けられる。ここで、パティキュレートフィルタ６９が環状排気管６７内に互いに並列配置されたフィルタ部分ＦＰＡ及びフィルタ部分ＦＰＢから構成されていると考えると、フィルタ部分ＦＰＡに対し還元剤供給弁７７ａが設けられ、フィルタ部分ＦＰＢに対し還元剤供給弁７７ｂが設けられる。これら還元剤供給弁７７ａ，７７ｂはパティキュレートフィルタ６９の一端面６９ｆにそれぞれ対面配置される。なお、還元剤供給弁７７ａ，７７ｂには電気制御式の還元剤ポンプ７８から還元剤がそれぞれ供給される。還元剤には液体又は気体の炭化水素のほか水素や尿素などを用いることができるが、本発明による実施例では還元剤として燃料即ち軽油が用いられている。
【００２３】
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。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２４】
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。
【００２５】
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。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、パティキュレートフィルタ６９のフィルタ部分ＦＰＡ及びフィルタ部分ＦＰＢにはこれらフィルタ部分ＦＰＡ及びフィルタ部分ＦＰＢの温度に比例した出力電圧をそれぞれ発生する温度センサ４８ａ，４８ｂが取り付けられ、これら温度センサ４８ａ，４８ｂの出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５にそれぞれ入力される。更に、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０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５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応する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５２が接続される。
【００２６】
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７７ａ，７７ｂ、及び還元剤ポンプ７８にそれぞれ接続される。
【００２７】
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内燃機関から排出された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、次いで一端面６９ｆを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、他端面６９ｒを介しパティキュレートフィルタ６９から流出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気出管６４内に流出する。
【００２８】
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内燃機関から排出された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、次いで他端面６９ｒを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、一端面６９ｆを介しパティキュレートフィルタ６９から流出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。
【００２９】
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。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。
【００３０】
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、次いで追加の触媒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。
【００３１】
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６９ｆを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、他端面６９ｒ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６９ｆ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流出通路７１内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面６９ｒを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、一端面６９ｆ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６９ｒ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流出通路７０内に流出する。
【００３２】
パティキュレートフィルタ６９の隔壁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８０がそれぞれ担持されている。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、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。追加のＮＯＸ触媒７６も同様に構成される。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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−→ＮＯ２）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３−がＮＯ２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ＮＯ２が存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯ２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。
【００３７】
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。
【００３８】
上述したように順流時であろうと逆流時であろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ６９を通過し、このとき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触媒は酸化作用を有しているので、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。
【００３９】
ところが、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に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ６９内に流入する微粒子の量がかなり多くなるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ６９の圧損が増大する。
【００４０】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときには切替弁６１を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えると共に、パティキュレートフィルタ６９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ６９の温度を６００℃以上まで上昇し次いで６００℃以上に維持する昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。この場合、排気ガスの流れが反転されているので、微粒子が燃焼することにより形成される灰がパティキュレートフィルタ６９から容易に除去される。
【００４１】
なお、パティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させる方法には種々の方法がある。例えばパティキュレートフィルタ６９の端面に電気ヒータを配置して電気ヒータによりパティキュレートフィルタ６９又はパティキュレートフィルタ６９に流入する排気ガスを加熱する方法や、パティキュレートフィルタ６９上流の排気通路内に燃料を供給してこの燃料を燃焼させることによりパティキュレートフィルタ６９を加熱する方法や、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させてパティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させる方法がある。
【００４２】
一方、上述したように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ので、排気ガス中のＮＯＸはＮＯＸ触媒内に蓄えられ、ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。
【００４３】
本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために還元剤供給弁７７ａ，７７ｂからＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給するようにしている。この場合、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００４４】
還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから還元剤を供給すべきときには切替弁６１が図５において実線で示される弱順流位置に一時的に保持される。切替弁６１がこの弱順流位置に保持されると、図５に矢印で示されるように内燃機関から排出された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、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、次いでパティキュレートフィルタ６９内を通過する。即ち、切替弁６１を弱順流位置に保持すると、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持された場合に比べ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量が低減される。このため、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために必要な還元剤の量を低減することができる。
【００４５】
なお、切替弁６１が図５において破線で示されるバイパス位置に保持されると内燃機関から排出されたほぼ全ての排気ガスが流入ポート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、即ちパティキュレートフィルタ６９を迂回する。上述した弱順流位置はこのバイパス位置から順流位置に向けてわずかに移動した位置であるということになる。
【００４６】
還元剤供給弁７７ａ，７７ｂは上述したようにパティキュレートフィルタ６９の一端面６９ｆに対面配置されており、従って還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから還元剤が供給されると図５に示されるようにパティキュレートフィルタ６９の一端面６９ｆに向かう還元剤の噴霧Ｒａ，Ｒｂが形成される。この還元剤は一端面６９ｆを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、順流の排気ガスによってＮＯＸ触媒全体に拡散せしめられる。この場合、概略的に云うと、還元剤供給弁７７ａからフィルタ部分ＦＰＡに還元剤が供給され、還元剤供給弁７７ｂからフィルタ部分ＦＰＢに還元剤が供給されるということになる。
【００４７】
還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから供給された還元剤はその貫徹力でもってパティキュレートフィルタ６９に到り、パティキュレートフィルタ６９に流入する前に排気ガスと必ずしも十分に混合されない。しかしながら本発明による実施例では、図５に示されるように還元剤の噴霧Ｒａ，Ｒｂによってパティキュレートフィルタ６９の一端面６９ｆ全体が覆われるように還元剤供給弁７７ａ，７７ｂが位置決めされており、従って還元剤をＮＯＸ触媒全体に供給することが可能になる。
【００４８】
ＮＯＸ触媒に還元剤を供給すべきときには図６に示されるように、各還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから還元剤供給作用１回当たりＱＲの量の還元剤が時間間隔ＩＮＴでもって間欠的に供給される。
【００４９】
ここで、フィルタ部分温度ＴＦＡ，ＴＦＢが高くなるにつれてＮＯＸ触媒上での還元剤の反応速度が高くなる。このため、還元剤が酸素と速やかに反応するようになり、即ちＮＯＸの還元作用に用いられる還元剤の量が少なくなる。そこで本発明による実施例では、図７（Ａ）において曲線Ａで示されるようにフィルタ部分温度ＴＦＡが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ａの還元剤供給量ＱＲが増大するようにし、図７（Ａ）において曲線Ｂで示されるようにフィルタ部分温度ＴＦＢが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ｂの還元剤供給量ＱＲが増大するようにしている。また、図７（Ｂ）において曲線Ａで示されるようにフィルタ部分温度ＴＦＡが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ａの時間間隔ＩＮＴが減少するようにし、図７（Ｂ）において曲線Ｂで示されるようにフィルタ部分温度ＴＦＢが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ｂの時間間隔ＩＮＴが減少するようにしている。
【００５０】
一方、フィルタ部分ＦＰＢを通る環状排気管６７の軸線の曲率半径はフィルタ部分ＦＰＡを通る環状排気管６７の軸線の曲率半径よりも大きくなっており、また、流入流出ポート６５，６６からパティキュレートフィルタ６９の端面６９ｆ，６９ｒに向かう環状排気管６７の軸線はこれら端面６９ｆ，６９ｒの直前でほぼ直角に向きを変えている。この場合、フィルタ部分ＦＰＢを通過する排気ガスの量ないし流速はフィルタ部分ＦＰＡを通過する排気ガスの量ないし流速よりも大きくなり、従ってフィルタ部分ＦＰＢにおける還元剤の滞留時間がフィルタ部分ＦＰＡにおける還元剤の滞留時間よりも短くなる。
【００５１】
そこで本発明による実施例では図７（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、還元剤供給弁７７ｂにおける還元剤供給量ＱＲが還元剤供給弁７７ａにおける還元剤供給量ＱＲよりも大きくなるようにし、還元剤供給弁７７ｂにおける時間間隔ＩＮＴが還元剤供給弁７７ａにおける時間間隔ＩＮＴよりも小さくなるようにしている。
【００５２】
従って、一般的に言うと、還元剤供給弁７７ａ，７７ｂにおける還元剤供給量及び還元剤供給時期のような還元剤供給作用をそれぞれ対応するフィルタ部分ＦＰＡ，ＦＰＢの温度、又はそれぞれ対応するフィルタ部分ＦＰＡ，ＦＰＢ内を流通する排気ガスの量に基づいてそれぞれ設定しているということになる。或いは、還元剤供給弁７７ａ，７７ｂの還元剤供給作用を互いに異ならせていると見ることもできる。このようにするとフィルタ部分ＦＰＡ，ＦＰＢに供給される還元剤に過不足が生じない。
【００５３】
次いで、例えばＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量がほぼゼロになると還元剤供給弁７７ａ，７７ｂからの還元剤供給作用が停止される。
【００５４】
図８は上述した還元剤供給制御を実行するための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。
【００５５】
図８を参照すると、まずステップ１００では還元剤供給弁７７ａ，７７ｂからＮＯＸ触媒に還元剤を供給すべきか否かが判別される。還元剤供給弁７７ａ，７７ｂからＮＯＸ触媒に還元剤を供給すべきときには次いでステップ１０１に進み、切替弁６１が図５に示される弱順流位置に切り替えられ保持される。続くステップ１０２では還元剤供給弁７７ａ，７７ｂにおける還元剤供給量ＱＲ及び供給時間間隔ＩＮＴが図７のマップからそれぞれ算出される。続くステップ１０３ではこれらＱＲ，ＩＮＴに従って還元剤が供給される。続くステップ１０４では還元剤供給作用を停止すべきか否かが判別される。還元剤供給作用を継続すべきときには処理サイクルを終了し、還元剤供給作用を停止すべきときにはステップ１０５に進んで還元剤供給作用が停止される。続くステップ１０６では切替弁６１が還元剤供給作用が開始される前の位置に戻される。
【００５６】
これまで述べてきた実施例では、ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を低減するために還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから還元剤を供給するときには切替弁６１が弱順流位置に一時的に保持される。ところがこの場合、多量の排気ガスがパティキュレートフィルタ６９を通過せず、従ってこの多量の排気ガス中に含まれる微粒子を捕集することができない。
【００５７】
そこで本発明による別の実施例では、切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられるときに還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから還元剤を供給するようにしている。このようにすると、ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を低減するために切替弁６１を弱順流位置に保持する必要がない。
【００５８】
図９は切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられるときの、パティキュレートフィルタ６９のフィルタ部分ＦＰＡ，ＦＰＢ内をそれぞれ流通する排気ガスの流量を示しており、図９において曲線Ａはフィルタ部分ＦＰＡ内を通過する排気ガスの流量を、曲線Ｂはフィルタ部分ＦＰＢ内を通過する排気ガスの流量をそれぞれ示している。
【００５９】
図９において矢印Ｘは切替弁６１を逆流位置から順流位置に切り替えるための信号が切替弁駆動用ステップモータ６０に発せられた時間を表しており、この信号が発せられると切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられる。その結果、図９に示されるように逆流方向の排気ガス流量が次第に減少し、一旦ゼロになった後に順流方向の排気ガス流量が次第に増大する。
【００６０】
このように切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられるときにはフィルタ部分ＦＰＡ，ＦＰＢ内を流通する排気ガスの流量が一時的に少なくなり、従ってこのとき還元剤を供給すればＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために必要な還元剤の量を低減することができる。また、わずかな量の排気ガスが順流方向に流れているときに還元剤を供給すれば還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから供給された還元剤がこの排気ガスによってＮＯＸ触媒全体に拡散されることは上述した通りである。
【００６１】
そこで本発明による別の実施例では、フィルタ部分ＦＰＡ，ＦＰＢ内を順流方向に流通する排気ガスの流量がわずかな一定量Ｑ０になったときに還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから還元剤を供給するようにしている。即ち、図９に示される例では、矢印ＹＡで示される時間になると還元剤供給弁７７ａから還元剤が例えば１回だけ噴射され、矢印ＹＢで示される時間になると還元剤供給弁７７ｂから還元剤が例えば１回だけ噴射される。
【００６２】
切替弁６１を逆流位置から順流位置に切り替えるべき信号が発せられてからフィルタ部分ＦＰＡ，ＦＰＢ内を順流方向に流通する排気ガスの流量が上述のＱ０になるまでに要する時間は内燃機関から単位時間当たりに排出される排気ガスの量が多くなるにつれて短くなり、この排気ガスの量はアクセルペダルの踏み込み量により表される機関負荷Ｌが高くなるにつれて多くなる。そこで本発明による別の実施例では、図１０（Ｂ）において曲線Ａで示されるように機関負荷Ｌが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ａにおける待機時間ＳＢＴが短くなるようにし、図１０（Ｂ）において曲線Ｂで示されるように機関負荷Ｌが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ｂにおける待機時間ＳＢＴが短くなるようにし、切替弁６１を逆流位置から順流位置に切り替えるべき信号が発せられてから待機時間ＳＢＴだけ経過したときに還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから還元剤を供給するようにしている。
【００６３】
また、図９に示されるように、切替弁６１を逆流位置から順流位置に切り替えるべき信号が発せられてからフィルタ部分ＦＰＡ内を順流方向に流通する排気ガスの流量が上述のＱ０になるまでに要する時間は、切替弁６１を逆流位置から順流位置に切り替えるべき信号が発せられてからフィルタ部分ＦＰＢ内を順流方向に流通する排気ガスの流量が上述のＱ０になるまでに要する時間よりも長くなる。そこで本発明による別の実施例では図１０（Ｂ）に示されるように、還元剤供給弁７７ａにおける待機時間ＳＢＴが還元剤供給弁７７ｂにおける待機時間ＳＢＴよりも長くなるようにしている。
【００６４】
一方、機関負荷Ｌが高くなるにつれてＮＯＸ触媒内における還元剤の滞留時間が短くなる。そこで本発明による別の実施例では、図１０（Ａ）において曲線Ａで示されるように機関負荷Ｌが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ａにおける還元剤供給量ＱＲが増大するようにし、図１０（Ａ）において曲線Ｂで示されるように機関負荷Ｌが高くなるにつれて還元剤供給弁７７ｂにおける還元剤供給量ＱＲが増大するようにしている。
【００６５】
更に、上述したように、フィルタ部分ＦＰＢにおける還元剤の滞留時間がフィルタ部分ＦＰＡにおける還元剤の滞留時間よりも短くなる。そこで、図１０（Ａ）に示されるように、還元剤供給弁７７ｂにおける還元剤供給量ＱＲを還元剤供給弁７７ａにおける還元剤供給量ＱＲよりも大きくなるようにしている。
【００６６】
図１１は上述した別の実施例による還元剤供給制御を実行するための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。
【００６７】
図１１を参照すると、まずステップ１１０では還元剤供給弁７７ａ，７７ｂからＮＯＸ触媒に還元剤を供給すべきか否かが判別される。還元剤供給弁７７ａ，７７ｂからＮＯＸ触媒に還元剤を供給すべきときには次いでステップ１１１に進み、切替弁６１の位置を逆流位置から順流位置に切り替えるべきか否かが判別される。切替弁６１の位置を逆流位置から順流位置に切り替えるべきでないときには処理サイクルを終了し、切替弁６１の位置を逆流位置から順流位置に切り替えるべきときには次いでステップ１１２に進み、還元剤供給量ＱＲ及び待機時間ＳＢＴが図１０のマップからそれぞれ算出される。続くステップ１１３ではこれらＱＲ，ＳＢＴに従って還元剤が供給される。
【００６８】
なお、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に還元剤を供給するようにしてもよい。但し、この場合には還元剤供給弁７７ａ，７７ｂから供給された還元剤がＮＯＸ触媒に到る前に環状排気管６７内に戻される恐れがある。
【００６９】
図１２は本発明による更に別の実施例を示している。図１２に示される実施例では、パティキュレートフィルタ６９が互いに並列配置された複数例えば三つのパティキュレートフィルタ６９ａ，６９ｂ，６９ｃから構成されている。即ち、環状排気管６７内に互いに並列して配置された三つのフィルタ収容室６８ａ，６８ｂ，６８ｃが形成されており、それぞれ対応するフィルタ収容室６８ａ，６８ｂ，６８ｃ内にパティキュレートフィルタ６９ａ，６９ｂ，６９ｃが収容されている。また、環状排気管６７には三つの還元剤供給弁７７ａ，７７ｂ，７７ｃが取り付けられており、これら還元剤供給弁７７ａ，７７ｂ，７７ｃはそれぞれ対応するパティキュレートフィルタの一端面６９ａｆ，６９ｂｆ，６９ｃｆに対面配置される。
【００７０】
ここで、還元剤供給弁７７ａ，７７ｂ，７７ｃからの還元剤の噴霧によってそれぞれ対応するパティキュレートフィルタの一端面６９ａｆ，６９ｂｆ，６９ｃｆ全体が覆われるように還元剤供給弁７７ａ，７７ｂ，７７ｃが位置決めされている。従って、この場合にも還元剤をＮＯＸ触媒全体に供給することが可能になる。
【００７１】
図１２に示される実施例でも、還元剤供給弁７７ａ，７７ｂ，７７ｃにおける還元剤供給作用はそれぞれ対応するパティキュレートフィルタ６９ａ，６９ｂ，６９ｃの温度、又はそれぞれ対応するパティキュレートフィルタ６９ａ，６９ｂ，６９ｃ内を流通する排気ガスの量に基づいてそれぞれ設定される。
【００７２】
なお、図２に示される実施例ではパティキュレートフィルタ６９の断面が楕円形状であるのに対し、図１２に示される実施例ではパティキュレートフィルタ６９ａ，６９ｂ，６９ｃの断面が円形状になっている。その結果、各パティキュレートフィルタ６９ａ，６９ｂ，６９ｃ内全体を排気ガスが一様に流れやすくなり、従って還元剤が一様に供給されやすくなる。また、個々のパティキュレートフィルタ６９ａ，６９ｂ，６９ｃの容量を小さくすることができ、従って触媒コンバータ２２を搭載するのに必要な空間を小さくすることができる。更に、複数の触媒コンバータ２２を直列に配置することもできる。このようにすると、順流時であろうと逆流時であろうとＮＯＸ触媒に還元剤を供給することができ、しかもＮＯＸ触媒全体に還元剤を容易に供給することが可能になる。
【００７３】
これまで述べてきた実施例では、パティキュレートフィルタの一端面にのみ対面するように還元剤供給弁を配置している。しかしながら、パティキュレートフィルタ両端面に対面するように還元剤供給弁を配置することもできる。
【００７４】
また、これまで述べてきた実施例では、ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を低減するために還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給する場合に本発明を適用している。しかしながら、ＮＯＸ触媒内の蓄積ＳＯＸ量を低減するために還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給する場合や、パティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子を酸化除去すべく昇温制御を行うために還元剤供給弁からパティキュレートフィルタに還元剤を供給する場合にも本発明を適用することができる。
【００７５】
ここで、ＮＯＸ触媒内の蓄積ＳＯＸ量を低減するために還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給する場合についてもう少し詳しく説明する。排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、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、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには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、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３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、硫酸イオンＳＯ４−の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４−は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００７６】
この硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯＸ触媒内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯＸ触媒内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量が増大し、その結果ＮＯＸ触媒が蓄えうるＮＯＸの量が減少することになる。
【００７７】
しかしながら、ＮＯＸ触媒の温度を５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると、ＮＯＸ触媒内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＳＯ３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ＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００７８】
そこで、例えばＮＯＸ触媒内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒の温度を５５０℃まで上昇し次いで５５０℃以上に維持するために、かつＮＯＸ触媒内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるために還元剤供給弁７７ａ，７７ｂからＮＯＸ触媒に還元剤を一時的に供給することができる。この場合、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００７９】
【発明の効果】
ＮＯＸ触媒全体に還元剤を供給することができ、従ってＮＯＸ触媒全体をＮＯＸ浄化のために有効に利用することができる。
【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】通常時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】還元剤供給作用を説明するための図である。
【図６】還元剤供給作用を説明するための図である。
【図７】還元剤供給量及び時間間隔を示す線図である。
【図８】還元剤供給制御を実行するためのフローチャートである。
【図９】フィルタ部分における排気ガス流量を示す線図である。
【図１０】還元剤供給量及び遅延時間を示す線図である。
【図１１】還元剤供給制御を実行するためのフローチャートである。
【図１２】本発明による更に別の実施例による触媒コンバータの構造を示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ…排気管
２２…触媒コンバータ
６１…切替弁
６７…環状排気管
６５，６６…流入流出ポート
６９…パティキュレートフィルタ
６９ｆ…パティキュレートフィルタの一端面
７７ａ，７７ｂ…還元剤供給弁
８０…ＮＯＸ触媒
Ｒａ，Ｒｂ…還元剤の噴霧
【図１】
0003846355.tif 000002
【図２】
0003846355.tif 000003
【図３】
0003846355.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003846355.tif 000007
【図７】
0003846355.tif 000008
【図８】
0003846355.tif 000009
【図９】
0003846355.tif 000010
【図１０】
0003846355.tif 000011
【図１１】
0003846355.tif 000012
【図１２】
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