(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排気中に含まれる粒子状物質を捕集し且つ捕集された粒子状物質の燃焼を促進させる触媒が担持されたフィルタと、
前記フィルタの温度を上昇させるフィルタ温度上昇手段と、
を具備し、
前記フィルタ温度上昇手段は、第一の所定条件が成立したときにフィルタの温度を第一の所定温度まで上昇させて前記粒子状物質を燃焼減量し、又、第二の所定条件が成立したときにはフィルタの温度を前記第一の所定温度よりも高温の第二の所定温度に上昇させ、且つ、前記第二の所定温度まで上昇させる間隔は、前記第一の所定温度まで上昇させる間隔よりも長く、該第二の所定温度に昇温している期間は、該第一の所定温度に昇温している期間よりも短い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】
【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し、例えばディーゼルエンジンの排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Particulate Matter以下特に断らない限り「ＰＭ」という。）を捕集する手段を有する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは経済性に優れている反面、排気中に含まれるＰＭの除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないようにディーゼルエンジンの排気系にＰＭ捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が周知である。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕集される。しかし、捕集されたＰＭはフィルタに堆積しフィルタの目詰まりを発生させる。この目詰まりによりフィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する。そこで、フィルタ上に捕集されたＰＭを着火燃焼せしめることによりＰＭを除去しフィルタの目詰まりを防止する必要が生じる。このようにＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
しかし、前記フィルタに捕集されたＰＭを着火燃焼させるためには、例えば５００℃以上の高温が必要であるが、ディーゼルエンジンの排気の温度は通常この温度よりも低いためＰＭの燃焼除去は困難である。
【０００５】
このような問題に対し例えば特開平８−３３８２３０号公報によれば、触媒を担持したフィルタと、排気中に炭化水素を供給する装置とを使用し、排気中に供給した炭化水素を触媒で燃焼させた際に発生する熱を利用してＰＭの燃焼を可能とし、以て目詰まりを防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように炭化水素を排気中に供給してフィルタを高温状態にすると、触媒の熱劣化を誘発し触媒能力の低下の原因となる。
【０００７】
ここで、熱劣化について吸蔵還元型ＮＯx触媒を例に説明すると、ＮＯx触媒におけるＮＯxの吸収は白金Ｐｔ（触媒物質）とカリウムＫ（ＮＯx吸収剤）との界面において行われるが、Ｐｔは熱によってシンタリングを起こし、成長して粒径が大きくなることが知られている。車両用内燃機関から排出される排気の浄化においては、ＮＯx触媒に加わる熱負荷が大きく、白金Ｐｔのシンタリングを避けることはできない。このように白金Ｐｔがシンタリングを起こすと、白金ＰｔとカリウムＫの接触面積が少なくなり、即ち、白金ＰｔとカリウムＫの界面が少なくなる。この結果、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が低下し、ＮＯx浄化能力が低下する。一度シンタリングを起こしたＰｔをシンタリングする前の状態に戻すことは不可能であり、従って、ＮＯx触媒を熱劣化から回復することはできない。
【０００８】
このような問題を解決するために、排気中に供給する炭化水素の量を調整し、触媒温度の上昇を抑制すると、ＰＭの燃焼が促進されずに燃え残る虞がある。この場合、触媒の熱劣化は防止できるが、一方でフィルタの目詰まりが発生する虞がある。
【０００９】
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、本発明が解決しようとする課題は、触媒を坦持したパティキュレートフィルタを具備する内燃機関の排気浄化装置において、フィルタの熱劣化を抑制しつつフィルタに堆積した粒子状物質を完全に除去し、以て長期に亘りフィルタの機能低下を防止することができる技術を提供することにある。
【００１０】
【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。
【００１１】
すなわち、内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる粒子状物質を捕集し且つ捕集された粒子状物質の燃焼を促進させる触媒が担持されたフィルタと、前記フィルタの温度を上昇させるフィルタ温度上昇手段と、を具備し、前記フィルタ温度上昇手段は、第一の所定条件が成立したときにフィルタの温度を第一の所定温度まで上昇させて前記粒子状物質を燃焼減量し、又、第二の所定条件が成立したときにはフィルタの温度を前記第一の所定温度よりも高温の第二の所定温度に上昇させ、且つ、前記第二の所定温度まで上昇させる間隔は、前記第一の所定温度まで上昇させる間隔よりも長く、該第二の所定温度に昇温している期間は、該第一の所定温度に昇温している期間よりも短いことを特徴とする。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気中に含まれる粒子状物質が排気通路に設けられたフィルタによって捕集される。捕集された粒子状物質はフィルタ内に堆積しフィルタの目詰まりの原因となるため、第一の所定条件が成立したときにフィルタ温度上昇手段によってフィルタの温度が上昇され、堆積した粒子状物質が燃焼減量させる。このときにフィルタが高温になると熱劣化し触媒機能が低下するために、フィルタ温度を例えば５００℃程度の第一の所定温度にして熱劣化を防止する。
【００１３】
しかし、この第一の所定温度では堆積した粒子状物質が燃え残る場合があり、このように残留する粒子状物質は次第に量が増えフィルタの目詰まりを発生させる虞がある。
【００１４】
そこで、本願発明においては、第二の所定条件が成立したときに、第一の所定温度よりも高温の例えば７００℃程度の第二の所定温度にフィルタを温度上昇させて、粒子状物質を完全に燃焼除去させることとした。
【００１５】
このようにフィルタ温度を第二の所定温度に上昇させると、触媒の熱劣化を誘発する虞がある。そこで、フィルタを第二の所定温度に昇温している期間を第一の所定温度に昇温している期間よりも短くし、且つ、第二の所定条件成立によるフィルタの温度上昇間隔を第一の所定条件成立によるものよりも長くなるように第一及び第二の条件を設定することで、触媒機能の低下を抑制している。
【００１６】
フィルタ温度を第一の所定温度に上昇させるときの条件となる第一の所定条件としては、車両が所定の距離を走行したこと、内燃機関の負荷と回転数とから算出された粒子状物質の排出量が所定量に達したこと等を例示することができる。
【００１７】
また、フィルタ温度を第二の所定温度に上昇させるときの条件となる第二の所定条件としては、フィルタを第一の所定温度に上昇させて粒子状物質の燃焼減量を所定回数行ったことや、車両が所定の距離を走行したこと、内燃機関の負荷と回転数とから算出された粒子状物質の排出量が所定量に達したこと等を例示することができる。
【００１８】
このように、通常は第一の所定温度にフィルタ温度を上昇させて熱劣化を防止しつつ粒子状物質を燃焼減量することができる。
【００１９】
また、長い間隔で第一の所定温度よりも高温の第二の所定温度にフィルタを温度上昇させるので、残留した粒子状物質を完全に燃焼除去しつつ触媒の早期機能低下を防止することができる。
【００２０】
フィルタ温度上昇手段としては、排気通路に設けたノズルによりフィルタ上流へ還元剤を供給する方法や、内燃機関の気筒内へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期（例えば膨張行程）に再度燃料を噴射させる副噴射（ポスト噴射ともいう）を用いる方法、外部からヒータを用いてフィルタを直接加熱する方法等が例示できる。
【００２１】
フィルタに担持させる触媒としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元型ＮＯx触媒、酸化触媒等を例示できる。
【００２２】
フィルタとしては、パティキュレートフィルタを例示できる。
【００２３】
【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。
【００２４】
図１は、本発明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である。
【００２５】
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２６】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。このコモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００２７】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００２８】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００２９】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３０】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【００３１】
前記吸気枝管８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、該吸気管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と、該吸気管９内を流通する吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ１２とが取り付けられている。
【００３２】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管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、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁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。
【００３３】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管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。
【００３４】
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、該エアクリーナボックス１０内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００３５】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該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８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３６】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００３７】
前記排気枝管１８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、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００３８】
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２０が配置されている。フィルタ２０より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ２３と、該排気管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とが取り付けられている。
【００３９】
前記した空燃比センサ２３及び排気温度センサ２４より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁２１が設けられている。この排気絞り弁２１には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞り弁２１を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ２２が取り付けられている。
【００４０】
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１８へ排出され、次いで排気枝管１８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、該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。
【００４１】
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、必要に応じて排気絞り弁２１によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００４２】
また、排気枝管１８と吸気枝管８とは、排気枝管１８内を流通する排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）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ガスと称する）の流量を変更する流量調整弁（ＥＧＲ弁）２６が設けられている。
【００４３】
前記ＥＧＲ通路２５においてＥＧＲ弁２６より上流の部位には、該ＥＧＲ通路２５内を流通するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２７が設けられている。
【００４４】
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１８内を流通する排気の一部が前記ＥＧＲ通路２５へ流入し、ＥＧＲクーラ２７を経て吸気枝管８へ導かれる。
【００４５】
その際、ＥＧＲクーラ２７では、ＥＧＲ通路２５内を流通するＥＧＲガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されることになる。
【００４６】
ＥＧＲ通路２５を介して排気枝管１８から吸気枝管８へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管８の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００４７】
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、吸熱性を有する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。
【００４８】
更に、ＥＧＲクーラ２７においてＥＧＲガスが冷却されると、ＥＧＲガス自体の温度が低下するとともにＥＧＲガスの体積が縮小されるため、ＥＧＲガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量（新気の体積）が不要に減少することもない。
【００４９】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２０について説明する。
【００５０】
図４にフィルタ２０の構造を示す。なお、図４において（Ａ）はフィルタ２０の横方向断面を示しており、（Ｂ）はフィルタ２０の縦方向断面図を示している。図４（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４（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。
【００５１】
フィルタ２０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、従って排気流入通路５０内に流入した排気は図４（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。
【００５２】
本発明による実施例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。
【００５３】
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。
【００５４】
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）とを担持して構成される吸蔵還元型ＮＯx触媒を例に挙げて説明する。
【００５５】
このように構成されたＮＯx触媒は、該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）を吸収する。
【００５６】
一方、ＮＯx触媒は、該ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸収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、該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。
【００５７】
尚、ＮＯx触媒のＮＯx吸放出作用については明らかにされていない部分もあるが、おおよそ以下のようなメカニズムによって行われていると考えられる。
【００５８】
先ず、ＮＯx触媒では、該ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図２（Ａ）に示されるように、排気中の酸素（Ｏ2）がＯ2-またはＯ2-の形で白金（Ｐｔ）の表面上に付着する。排気中の一酸化窒素（ＮＯ）は、白金（Ｐｔ）の表面上でＯ2-またはＯ2-と反応して二酸化窒素（ＮＯ2）を形成する（２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2）。二酸化窒素（ＮＯ2）は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硝酸イオン（ＮＯ3-）の形でＮＯx触媒に吸収される。尚、ＮＯx触媒に吸収された硝酸イオン（ＮＯ3-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）を形成する。
【００５９】
このようにＮＯx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が硝酸イオン（ＮＯ3-）としてＮＯx触媒に吸収される。
【００６０】
上記したようなＮＯx吸収作用は、流入排気の空燃比がリーン空燃比であり、且つＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和しない限り継続される。従って、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和しない限り、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）がＮＯx触媒に吸収され、排気中から窒素酸化物（ＮＯx）が除去されることになる。
【００６１】
これに対して、ＮＯx触媒では、該ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下すると、白金（Ｐｔ）の表面上において二酸化窒素（ＮＯ2）の生成量が減少するため、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合していた硝酸イオン（ＮＯ3-）が逆に二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）となってＮＯx触媒から離脱する。
【００６２】
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、それらの還元成分が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ2-またはＯ2-）と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、ＮＯx触媒から放出された二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）を窒素（Ｎ2）に還元せしめることになる。
【００６３】
従って、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となって排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が高まると、ＮＯx触媒に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）が放出及び還元され、以てＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が再生されることになる。
【００６４】
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触媒に吸収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吸収能力が飽和し、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。
【００６５】
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吸収能力が飽和し易い。
【００６６】
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吸収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触媒に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元させる必要がある。
【００６７】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、フィルタ２０より上流の排気通路を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、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。
【００６８】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１８内に臨むよう内燃機関１のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁２８へ導く還元剤供給路２９と、この還元剤供給路２９の途中に設けられ該還元剤供給通路２９内を流通する燃料の流量を調整する流量調整弁３０と、この流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に設けられて該還元剤供給路２９内の燃料の流通を遮断する遮断弁３１と、前記流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に取り付けられ該還元剤供給路２９内の圧力に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ３２と、を備えている。
【００６９】
尚、還元剤噴射弁２８は、該還元剤噴射弁２８の噴孔が排気枝管１８におけるＥＧＲ通路２５との接続部位より下流であって、排気枝管１８における４つの枝管の集合部に最も近い気筒２の排気ポートに突出するとともに、排気枝管１８の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【００７０】
これは、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤（未燃の燃料成分）がＥＧＲ通路２５へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管１８内に滞ることなく遠心過給機のタービンハウジング１５ｂへ到達するようにするためである。
【００７１】
尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つの気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられているが、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられるようにする。
【００７２】
また、前記還元剤噴射弁２８は、シリンダヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付けられるようにし、前記ウォータージャケットを流通する冷却水を利用して還元剤噴射弁２８が冷却されるようにしてもよい。
【００７３】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁３０が開弁されると、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ印加される。そして、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁２８が開弁して排気枝管１８内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【００７４】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気ととともに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内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。
【００７５】
このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、タービンハウジング１５ｂから排気管１９を介してフィルタ２０に流入し、フィルタ２０に吸収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。
【００７６】
その後、流量調整弁３０が閉弁されて燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されると、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁２８が閉弁し、排気枝管１８内への還元剤の添加が停止されることになる。
【００７７】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関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、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温度センサ２４、還元剤圧力センサ３２、クランクポジションセンサ３３、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６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３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１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３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】
前記入力ポート３５６は、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温度センサ２４、還元剤圧力センサ３２、水温センサ３４、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３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１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３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、あるいは遮断弁３１へ送信する。
【００８４】
前記ＲＯＭ３５２は、燃料噴射弁３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、排気絞り弁２１を制御するための排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に捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ燃焼制御ルーチン、フィルタ２０の酸化物による被毒を解消するための被毒解消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の運転状態と排気絞り弁２１の目標開度との関係を示す排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（もしくは、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、還元剤の目標添加量と流量調整弁３０の開弁時間との関係を示す流量調整弁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、クランクポジションセンサ３３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３３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、排気絞り制御、ＥＧＲ制御、ＰＭ燃焼制御、被毒解消制御等を実行する。
【００８９】
例えば、燃料噴射弁制御では、ＣＰＵ３５１は、先ず、燃料噴射弁３から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁３から燃料を噴射する時期を決定する。
【００９０】
燃料噴射量を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値等に基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【００９１】
燃料噴射時期を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射時期を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定する。
【００９２】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、ＣＰＵ３５１は、前記燃料噴射時期とクランクポジションセンサ３３の出力信号とを比較し、前記クランクポジションセンサ３３の出力信号が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始する。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を停止する。
【００９３】
尚、燃料噴射制御において内燃機関１の運転状態がアイドル運転状態にある場合は、ＣＰＵ３５１は、水温センサ３４の出力信号値や、車室内用空調装置のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして内燃機関１の目標アイドル回転数を算出する。そして、ＣＰＵ３５１は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００９４】
また、吸気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ１４に印加する。その際、ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁１３の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁１３の開度と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ１４をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００９５】
また、排気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合などに排気絞り弁２１を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用アクチュエータ２２を制御する。
【００９６】
この場合、内燃機関１の負荷が増大し、それに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結果、内燃機関１の発熱量が増加し、内燃機関１の暖機が促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保される。
【００９７】
次に、本発明の要旨となるＰＭ燃焼制御について説明する。
【００９８】
図５（Ａ）は、時間と共に変化するフィルタ２０の通路面積を表した図である。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に対応したフィルタ２０の床温を示した図である。ここで、フィルタ２０の通路面積とは、排気が図４（Ｂ）に示される隔壁５４を通過するときの間隙の面積である。
【００９９】
本実施の形態では、第一の所定温度を例えば６００℃以下とし、第二の所定温度を例えば７００℃以上としてフィルタの昇温制御を行った。また、フィルタ２０を第一の所定温度に昇温することを「通常再生」と称し、第二の所定温度に昇温することを「強度再生」と称している。
【０１００】
通常再生では、ＣＰＵ３５１は、フィルタ２０に流入する排気中に燃料を添加する燃料添加制御を実行する。
【０１０１】
燃料添加制御では、ＣＰＵ３５１は、所定の周期毎に燃料添加制御実行条件が成立しているか否かを判別する。この燃料添加制御実行条件としては、例えば、フィルタ２０が活性状態にあるか、排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下であるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。
【０１０２】
上記したような燃料添加制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、還元剤噴射弁２８から還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することにより、フィルタ２０に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【０１０３】
具体的には、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、燃料噴射量等を読み出す。更に、ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【０１０４】
続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標添加量をパラメータとしてＲＯＭ３５２の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁３０の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【０１０５】
流量調整弁３０の目標開弁時間が算出されると、ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させる。この場合、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ供給されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達し、還元剤噴射弁２８が開弁する。
【０１０６】
ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整弁３０を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧未満となり、還元剤噴射弁２８が閉弁する。
【０１０７】
このように流量調整弁３０が通常目標開弁時間だけ開弁されると、通常目標添加量の燃料が還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リッチ空燃比の混合気を形成してフィルタ２０に流入する。
【０１０８】
この結果、フィルタ２０に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期でリーンとリッチとを交互に繰り返すことになる。そして、フィルタ２０に流入した燃料が触媒により燃焼し、フィルタ２０が昇温することとなる。
【０１０９】
このようにして、通常再生においては、目標添加量の設定によりフィルタ２０の温度が例えば６００℃以下の温度に維持されるため、高温による熱劣化を防止しつつＰＭを燃焼減量させることができる。
【０１１０】
しかし、通常再生における温度では低温のためＰＭが燃え残る虞がある。燃え残ったＰＭは図５（Ａ）に示されるように徐々にフィルタ２０の通路面積を狭めてしまう。
【０１１１】
そこで、強度再生を行う条件が成立したときに通常再生よりもフィルタ２０の温度を上昇させる強度再生を行い燃え残ったＰＭを除去することとした。
【０１１２】
この強度再生を行う条件としては、通常再生を行うときの条件に加えて、例えば、通常再生を所定回数行ったことや、車両が所定の距離を走行したこと、前回の強度再生から所定の時間が経過していること、内燃機関の負荷と回転数とから算出されたＰＭの排出量が所定量に達したこと等が挙げられる。
【０１１３】
上記したような強度再生実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、通常再生時よりも多量の燃料をフィルタ２０に供給すべく流量調整弁３０を制御することにより、フィルタ２０に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【０１１４】
ここで、通常再生時よりも多量の燃料を供給する方法としては、還元剤噴射弁２８の開弁時間を長くする、開弁間隔を短くする等が挙げられる。
【０１１５】
そして、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、燃料噴射量等を読み出す。更に、ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【０１１６】
続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標添加量をパラメータとしてＲＯＭ３５２の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁３０の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【０１１７】
以下、通常再生と同様に燃料の添加を行い、図５（Ｂ）に示されるようにフィルタ２０の温度を例えば７００℃以上まで昇温する。
【０１１８】
このときに排気温度センサ２４の出力値からフィルタ２０の床温を推定して燃料添加のフィードバック制御を行うようにしても良い。
【０１１９】
このように昇温されたフィルタ２０においては、通常再生では燃え残って堆積したＰＭを着火燃焼させることができ、フィルタ２０を再生することができる。
【０１２０】
また、強度再生を行うとフィルタ２０の熱劣化を誘発する虞があるので、強度再生の実行時間は通常再生の実行時間よりも短くすることが好ましい。
【０１２１】
【発明の効果】
本出願に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒の熱劣化を抑制しつつフィルタの目詰まりを解消することができる。
【０１２２】
よって、フィルタの機能を長期に亘って維持することができ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【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である。
【図２】  （Ａ）は、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収メカニズムを説明する図である。（Ｂ）は、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx放出メカニズムを説明する図である。
【図３】  ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。
【図４】  （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５】  （Ａ）は、フィルタの通路面積の変化を示す図である。（Ｂ）は、フィルタの床温の変化を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・パティキュレートフィルタ
２１・・・排気絞り弁
２３・・・空燃比センサ
２５・・・ＥＧＲ通路
２６・・・ＥＧＲ弁
２７・・・ＥＧＲクーラ
２８・・・還元剤噴射弁
２９・・・還元剤供給路
３０・・・流量調整弁
３１・・・遮断弁
３２・・・還元剤圧力センサ
３３・・・クランクポジションセンサ
３４・・・水温センサ
３５・・・ＥＣＵ
３５１・・ＣＰＵ
３５２・・ＲＯＭ
３５３・・ＲＡＭ
３５４・・バックアップＲＡＭ
５０・・・排気流入通路
５１・・・排気流出通路
５４・・・隔壁
【図１】
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【図２】
0003747778.tif 000003
【図３】
0003747778.tif 000004
【図４】
0003747778.tif 000005
【図５】
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