(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中のパティキュレートを浄化するためのパティキュレート浄化装置と排気ガス中のＮＯＸを浄化するためのＮＯＸ浄化装置とを一体の浄化装置として機関排気系に具備し、前記一体の浄化装置へ還元物質を供給するための少なくとも二つの還元物質供給装置が前記機関排気系に配置され、前記一体の浄化装置が前記ＮＯＸ浄化装置としてＮＯＸを放出するために少量の還元物質を必要とする時には、前記二つの還元物質供給装置の一方によって前記機関排気系へ必要量の還元物質を供給し、前記一体の浄化装置が前記パティキュレート浄化装置として堆積パティキュレートを除去するために多量の還元物質を必要とする時には、前記二つの還元物質供給装置の他方によって前記機関排気系へ必要量の還元物質を供給し、前記一体の浄化装置を必要に応じて排気ガスがバイパスすることを可能とするバイパス手段が設けられ、前記バイパス手段は切換部内に位置する弁体を具備し、前記弁体を開放位置として前記切換部内を開放すれば、排気ガスが前記一体の浄化装置をバイパスし、前記弁体を第一閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記一体の浄化装置の一方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記一体の浄化装置の他方側に連通して排気ガスは前記一体の浄化装置を前記一方側から前記他方側へ通過し、前記弁体を第二閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記一体の浄化装置の前記他方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記一体の浄化装置の前記一方側に連通して排気ガスは前記一体の浄化装置を前記他方側から前記一方側へ通過するようになっており、前記一方の還元物質供給装置は、前記一体の浄化装置の前記他方側へ還元物質を供給するように位置し、前記一方の還元物質供給装置から還元物質が供給される時には、前記バイパス手段によって前記一体の浄化装置の前記他方側から前記一方側へ通過する排気ガス量が減少させられ、前記他方の還元物質供給装置は、前記切換部の上流側に還元物質を供給するようになっていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記二つの還元物質供給装置は還元物質噴射装置であり、前記一方の還元物質供給装置は、前記他方の還元物質供給装置より小さな還元物質供給口を有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】
前記二つの還元物質供給装置は還元物質噴射装置であり、前記一方の還元物質供給装置は、前記他方の還元物質供給装置より低い還元物質噴射圧を有してい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４】
前記一方の還元物質供給装置は燃焼式ヒータであ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５】
排気ガス中のパティキュレート及び排気ガス中のＮＯＸを浄化するための浄化手段を機関排気系に具備し、前記浄化手段へ還元物質を供給するための少なくとも二つの還元物質供給装置が前記機関排気系に配置され、前記浄化手段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が設けられ、前記逆転手段は切換部内に位置する弁体を具備し、前記弁体を開放位置として前記切換部内を開放すれば、排気ガスが前記浄化手段をバイパスし、前記弁体を第一閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記浄化手段の一方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記浄化手段の他方側に連通して排気ガスは前記浄化手段を前記一方側から前記他方側へ通過し、前記弁体を第二閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記浄化手段の前記他方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記浄化手段の前記一方側に連通して排気ガスは前記浄化手段を前記他方側から前記一方側へ通過するようになっており、前記二つの還元物質供給装置の一方は、前記機関排気系における前記切換部と前記浄化手段の前記他方側との間に設けられ、前記二つの還元物質供給装置の他方は、前記機関排気系における前記切換部より上流側に設けられ、前記浄化手段が少量の還元物質を必要とする時には前記一方の還元物質供給装置によって前記機関排気系に還元物質を供給し、前記浄化手段が多量の還元物質を必要とする時には、前記弁体が前記第二遮断位置であれば前記二つの還元物質供給装置の両方によって機関排気系に還元物質を供給し、前記弁体が前記第一遮断位置であれば、前記第二遮断位置への切り換えても前記浄化手段から設定量未満のパティキュレートしか排出されないと予測される場合には、前記弁体を前記第二遮断位置へ切り換えて前記二つの還元物質供給装置の両方によって機関排気系に還元物質を供給し、前記第二遮断位置への切り換えると前記浄化手段から前記設定量以上のパティキュレートが排出されると予測される場合には、前記弁体を前記第二遮断位置へ切り換えることなく、前記他方の還元物質供給装置によって機関排気系に還元物質を供給す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】
【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】
ディーゼルエンジンの排気ガス中には煤を主成分とするパティキュレートとＮＯXとが含まれており、これらパティキュレート及びＮＯXは、いずれも大気中へ放出しないことが望まれている。そのために、パティキュレート浄化装置及びＮＯX浄化装置を一体又は別体として機関排気系に配置することが提案されている。
【０００３】
パティキュレート浄化装置は、パティキュレートを捕集するものであり、捕集パティキュレートを除去しなければパティキュレート浄化装置の排気抵抗が大幅に増加してしまう。捕集パティキュレートを酸化除去するためには、パティキュレート浄化装置へ燃料等の還元物質を供給してパティキュレート浄化装置の昇温が必要となることがある。また、ＮＯX浄化装置は、吸蔵したＮＯXを放出させて還元浄化するために、ＮＯX浄化装置内を所望の理論空燃比又はリッチ空燃比とすべく、やはり燃料等の還元物質を供給することが必要とされる。こうして、パティキュレート及びＮＯXをいずれも浄化可能な機関排気系には、特開２００１−３１７３３８号公報に開示されているように、還元物質を供給するための還元物質供給装置が設けられることがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
機関排気系に配置される還元物質供給手段は、もちろん、単位時間当たりの還元物質供給量を制御することが可能であるが、パティキュレート浄化装置において捕集パティキュレートを酸化除去するのに必要な単位時間当たりの還元物質量と、ＮＯX浄化装置においてＮＯXを放出させて還元浄化するのに必要な単位時間当たりの還元物質量とは互いに大きく異なり、また、これらは排気ガス量によっても大きく変化する。すなわち、機関排気系に配置される還元物質供給手段は、単位時間当たりの還元物質供給量を非常に少なく制御したり、非常に多く制御したりしなければならず、非常に大きな供給量制御幅を有することが必要とされる。
【０００５】
しかしながら、一つの還元物質供給装置では、このような大きな供給量制御幅を実現することはできず、単位時間当たりの還元物質供給量が多い時及び少ない時のいずれか一方において正確な供給量制御を実現することはできても、両方においては正確な供給量制御を実現することはできない。前述の従来技術では、機関排気系に複数の還元物質供給装置を配置することも提案しているが、単に複数の還元物質供給装置を機関排気系に配置しただけでは、やはり大きな供給量制御幅を実現することはできない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、パティキュレート浄化装置及びＮＯX浄化装置を一体又は別体として具備する内燃機関の排気浄化装置において、機関排気系に設けられた還元物質供給装置が、パティキュレート浄化装置又はＮＯX浄化装置が必要とする単位時間当たりの還元物質供給量を常に実現することができるように、非常に大きな供給量制御幅を有するようにすることである。
【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、排気ガス中のパティキュレートを浄化するためのパティキュレート浄化装置と排気ガス中のＮＯＸを浄化するためのＮＯＸ浄化装置とを一体の浄化装置として機関排気系に具備し、前記一体の浄化装置へ還元物質を供給するための少なくとも二つの還元物質供給装置が前記機関排気系に配置され、前記一体の浄化装置が前記ＮＯＸ浄化装置としてＮＯＸを放出するために少量の還元物質を必要とする時には、前記二つの還元物質供給装置の一方によって前記機関排気系へ必要量の還元物質を供給し、前記一体の浄化装置が前記パティキュレート浄化装置として堆積パティキュレートを除去するために多量の還元物質を必要とする時には、前記二つの還元物質供給装置の他方によって前記機関排気系へ必要量の還元物質を供給し、前記一体の浄化装置を必要に応じて排気ガスがバイパスすることを可能とするバイパス手段が設けられ、前記バイパス手段は切換部内に位置する弁体を具備し、前記弁体を開放位置として前記切換部内を開放すれば、排気ガスが前記一体の浄化装置をバイパスし、前記弁体を第一閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記一体の浄化装置の一方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記一体の浄化装置の他方側に連通して排気ガスは前記一体の浄化装置を前記一方側から前記他方側へ通過し、前記弁体を第二閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記一体の浄化装置の前記他方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記一体の浄化装置の前記一方側に連通して排気ガスは前記一体の浄化装置を前記他方側から前記一方側へ通過するようになっており、前記一方の還元物質供給装置は、前記一体の浄化装置の前記他方側へ還元物質を供給するように位置し、前記一方の還元物質供給装置から還元物質が供給される時には、前記バイパス手段によって前記一体の浄化装置の前記他方側から前記一方側へ通過する排気ガス量が減少させられ、前記他方の還元物質供給装置は、前記切換部の上流側に還元物質を供給するようになっていることを特徴とする。
【０００９】
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、前記二つの還元物質供給装置は還元物質噴射装置であり、前記一方の還元物質供給装置は、前記他方の還元物質供給装置より小さな還元物質供給口を有することを特徴とする。
【００１０】
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に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記二つの還元物質供給装置は還元物質噴射装置であり、前記一方の還元物質供給装置は、前記他方の還元物質供給装置より低い還元物質噴射圧を有していることを特徴とする。
【００１１】
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１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記一方の還元物質供給装置は燃焼式ヒータであることを特徴とする。
【００１５】
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、排気ガス中のパティキュレート及び排気ガス中のＮＯＸを浄化するための浄化手段を機関排気系に具備し、前記浄化手段へ還元物質を供給するための少なくとも二つの還元物質供給装置が前記機関排気系に配置され、前記浄化手段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が設けられ、前記逆転手段は切換部内に位置する弁体を具備し、前記弁体を開放位置として前記切換部内を開放すれば、排気ガスが前記浄化手段をバイパスし、前記弁体を第一閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記浄化手段の一方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記浄化手段の他方側に連通して排気ガスは前記浄化手段を前記一方側から前記他方側へ通過し、前記弁体を第二閉鎖位置として前記切換部内を遮断すれば、前記切換部内の上流側が前記浄化手段の前記他方側に連通すると共に前記切換部内の下流側が前記浄化手段の前記一方側に連通して排気ガスは前記浄化手段を前記他方側から前記一方側へ通過するようになっており、前記二つの還元物質供給装置の一方は、前記機関排気系における前記切換部と前記浄化手段の前記他方側との間に設けられ、前記二つの還元物質供給装置の他方は、前記機関排気系における前記切換部より上流側に設けられ、前記浄化手段が少量の還元物質を必要とする時には前記一方の還元物質供給装置によって前記機関排気系に還元物質を供給し、前記浄化手段が多量の還元物質を必要とする時には、前記弁体が前記第二遮断位置であれば前記二つの還元物質供給装置の両方によって機関排気系に還元物質を供給し、前記弁体が前記第一遮断位置であれば、前記第二遮断位置への切り換えても前記浄化手段から設定量未満のパティキュレートしか排出されないと予測される場合には、前記弁体を前記第二遮断位置へ切り換えて前記二つの還元物質供給装置の両方によって機関排気系に還元物質を供給し、前記第二遮断位置への切り換えると前記浄化手段から前記設定量以上のパティキュレートが排出されると予測される場合には、前記弁体を前記第二遮断位置へ切り換えることなく、前記他方の還元物質供給装置によって機関排気系に還元物質を供給することを特徴とする。
【００１６】
【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を介して排気管１８へ接続される。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、排気管１８に配置された切換弁７１ａを作動する。切換弁７１ａに関しては後述する。
【００２０】
図２は本実施例の排気浄化装置を示す平面図であり、図３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、パティキュレートフィルタ７０と、パティキュレートフィルタ７０の一方側と切換部７１とを接続する第一接続部７２ａと、パティキュレートフィルタ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。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の第一遮断位置において、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２に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０の一方側から他方側へ流れる。
【００２１】
また、図４は、弁体７１ａの第二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４に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換えることによって、パティキュレートフィルタ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、パティキュレートフィルタ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。また、図５は、第一遮断位置と第二遮断位置との間の弁体７１ａの開放位置を示している。この開放位置において、切換部７１内は遮断されることなく、排気ガスは、図５に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０をバイパスして流れる。これは、排気ガスがバイパス通路を通過することを意味し、バイパス通路は、一般的に、パティキュレートフィルタが位置する排気通路から排気ガス分岐部を介してパティキュレートフィルタの上流側において分岐し、排気通路へ排気ガス合流部を介してパティキュレートフィルタの下流側において合流する。本実施例においては、切換部７１の排気管１８側開口が排気ガス分岐部となり、切換部７１の下流側排気通路７３側開口が排気ガス合流部となっている。
【００２２】
排気管１８には必要に応じて燃料等の還元物質を噴射可能な第一還元物質供給装置７４が配置され、第二接続部７２ｂには必要に応じて燃料等の還元物質を噴射可能な第二還元物質供給装置７５が配置されており、これらに関して詳しくは後述する。
【００２３】
このように、本排気浄化装置は、非常に簡単な構成によって、弁体７１ａを二つの遮断位置の一方から他方へ切り換えることによりパティキュレートフィルタ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と共に、弁体７１ａを開放位置とすれば、排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることが可能となる。
【００２４】
また、パティキュレートフィルタにおいては、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、車両搭載性を悪化させることなく、図２及び図３に示すように大きな開口面積を有するパティキュレートフィルタを使用可能である。
【００２５】
図６にパティキュレートフィルタ７０の構造を示す。なお、図６において、（Ａ）はパティキュレートフィルタ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、本パティキュレートフィルタ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６（Ｂ）に矢印で示すように、必ず隔壁５４を通過する。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、隔壁５４の排気上流側表面及び隔壁５４内の細孔表面上に衝突して捕集される。こうして、各隔壁５４は、パティキュレートを捕集する捕集壁として機能する。本パティキュレートフィルタ７０は、捕集されたパティキュレートを酸化除去することを可能とするものであり、パティキュレート浄化装置として機能する。そのために、隔壁５４の両側表面上、及び、好ましくは隔壁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活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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、およ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。
【００２８】
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。
【００２９】
次に、このような活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタによって、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およびカリウム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。
【００３０】
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、吸気通路およ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７０の排気上流側へ流入することになる。
【００３１】
図７（Ａ）および（Ｂ）はパティキュレートフィルタ７０における排気ガス接触面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図７（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。
【００３２】
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の排ガス接触面内に接触すると、図７（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７（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。このようにして、本実施例では、排気ガスに含まれるＮＯxをパティキュレートフィルタ７０に吸収し、大気中への放出量を大幅に減少させることができる。
【００３３】
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および硫酸カリウムＫ2ＳＯ4が生成される。
【００３４】
排気ガス中のパティキュレートは、図７（Ｂ）において６２で示されるように、パティキュレートフィルタ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。もちろん、パティキュレートフィルタ７０の近傍雰囲気における空燃比が理論空燃比又はリッチとされても、活性酸素放出剤から活性酸素及びＮＯが放出される。
【００３５】
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が吸収される時にも放出される。また、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、このようにパティキュレートフィルタ７０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。
【００３６】
ところで白金Ｐｔ及び活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ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の量はパティキュレートフィルタ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。従ってパティキュレートフィルタ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パティキュレートフィルタの温度が高くなるほど増大する。
【００３７】
図８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８において横軸はパティキュレートフィルタの温度ＴＦを示している。なお、図８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を表わすことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ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８に示されるようにパティキュレートフィルタ７０の温度が高くなるほど増大する。
【００３８】
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８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パティキュレートフィルタ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。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８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９（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。
【００３９】
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９（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パティキュレートフィルタ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９（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ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。
【００４０】
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９（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パティキュレートフィルタ上にはパティキュレートが積層状に堆積してしまう。
【００４１】
このように図８の領域Ｉではパティキュレートはパティキュレートフィルタ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８の領域IIではパティキュレートがパティキュレートフィルタ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、パティキュレートフィルタ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、パティキュレートフィルタ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、何もしなければパティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することがある。
【００４２】
本実施例では、前述の電子制御ユニット３０により図１０に示すフローチャートに従って弁体７１ａを作動制御することにより、パティキュレートフィルタへ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１０１において、弁体７１ａの切り換え時期であるか否かが判断される。切り換え時期は、設定時間又は設定走行距離毎とされている。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１０２へ進み、弁体７１ａを現在の遮断位置から他方の遮断位置へ回動させる。
【００４３】
図１１は、パティキュレートフィルタの隔壁５４の拡大断面図である。前述したように、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放出された活性酸素によって捕集パティキュレートを酸化除去するが、設定時間又は設定走行距離を走行する間には、図８の領域IIでの運転が実施されることもあり、図１１（Ａ）に格子で示すように、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。この程度のパティキュレートの堆積に伴うパティキュレートフィルタ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、何らかの要因によって堆積パティキュレートが一度に着火燃焼した場合に多量の燃焼熱が発生してパティキュレートフィルタが溶損したり、また、機関出力の大幅な低下等の問題を発生する。しかしながら、この時点でパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されれば、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１１（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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に加えて、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一方の捕集面と他方の捕集面とを交互に使用することにより、各捕集面によって捕集されるパティキュレート量は、常に一つの捕集面を使用する場合に比較してかなり少なくなるために、捕集パティキュレートの酸化除去に有利である。
【００４６】
弁体の切り換えは、設定時間又は設定走行距離毎のように定期的に実施しなくても不定期に実施するようにしても良い。また、機関減速時毎に弁体を切り換えるようにしても良い。機関減速時の判断には、運転者が車両の減速を意図する動作、例えば、アクセルペダルの開放、ブレーキペダルの踏み込み、及びフューエルカット等のいずれかを検出することが利用可能である。本実施例において、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換える際には、弁体７１ａが開放位置を通過して、この時に一部の排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることとなる。しかしながら、機関減速時であれば、燃料噴射量が少なく又はフューエルカットされているために、この時にはパティキュレートが殆ど発生せず、多量のパティキュレートが大気中へ放出されることはない。
【００４７】
また、パティキュレートフィルタへのパティキュレート堆積量が設定量となった時に弁体を切り換えるようにしても良い。パティキュレート堆積量の推定には、例えば、パティキュレート堆積量の増加に伴って増大するパティキュレートフィルタ７０の直上流側と直下流側との間の差圧を利用することができ、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の電気抵抗値を利用しても良く、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の光の透過率又は反射率を利用しても良い。また、図８のグラフに基づき、現在の機関運転状態から推定される排出微粒子量Ｍが現在の機関運転状態から推定されるパティキュレートフィルタの温度を考慮した酸化除去可能微粒子量Ｇを上回る時の差（Ｍ−Ｇ）をパティキュレート堆積量として積算するようにしても良い。
【００４８】
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。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。
【００４９】
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、斯くしてパティキュレートフィルタ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。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、発熱を伴ってパティキュレートフィルタを昇温させる。それにより、パティキュレートフィルタ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によってパティキュレートフィルタ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パティキュレートフィルタ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、さらに多量に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、パティキュレートフィルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
【００５０】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、低温燃焼、すなわち、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達する内燃機関において、煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量を多くすることによって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煤が生成される温度よりも低い温度に抑制し、それにより燃焼室内において煤が生成されるのを抑制する燃焼（特許第３１１６８７６号参照）を実施すれば良い。また、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。
【００５１】
こうして、パティキュレートフィルタ７０に前述の活性酸素放出剤を担持させることにより、パティキュレートフィルタに７０において、捕集パティキュレートを酸化除去させることができると共に、大気中へ放出させることが好ましくない排気ガス中のＮＯXも吸蔵することができる。ところで、活性酸素放出剤のＮＯX吸収能力には限度がある。本実施例においては、パティキュレートフィルタにおいてＮＯXを浄化することが意図されており、すなわち、パティキュレートフィルタはＮＯX浄化装置としても機能することが意図されており、この場合においては、活性酸素放出剤のＮＯX吸収能力が飽和すれば、排気ガス中の新たなＮＯXを吸蔵することができなくなるために、活性酸素放出剤のＮＯX吸収能力が飽和する以前に活性酸素放出剤からＮＯXを放出させる必要がある。すなわち、パティキュレートフィルタ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を放出させ雰囲気中の還元物質によって還元浄化する再生の必要がある。こうして、ＮＯXを一気に放出させれば同時に多量の活性酸素も放出されるために、これは捕集パティキュレートの酸化除去にも有利である。
【００５２】
この再生を実施するためには、パティキュレートフィルタ７０に吸収されている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ときの単位時間当りのＮＯX吸収量Ａを要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予め求めておき、普通燃焼が行われているときの単位時間当りの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パティキュレートフィルタに吸収されている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。
【００５３】
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ときにパティキュレートフィルタを再生するために、第二接続部７２ｂに配置された第二還元物質供給装置７５によって燃料を噴射するようになっている。この場合において、図１２に示すように、弁体７１ａは、開放位置から僅かに第二遮断位置側へ回動された位置とされる。それにより、切換部７１内は弁体７１ａによって遮断されることはなく、大部分の排気ガスはパティキュレートフィルタ７０をバイパスすることとなるが、一部の排気ガスが第二接続部７２ｂへ流入する。この僅かな量の排気ガスに向けて第二還元物質供給装置７５から燃料が噴射され、噴射燃料は、この排気ガスと共にパティキュレートフィルタ７０へ流入し、それほど多量の燃料を供給しなくても活性酸素放出剤の近傍雰囲気を十分に所望リッチ空燃比にすることができる。それにより、パティキュレートフィルタ７０からＮＯXが放出され、放出されたＮＯXは燃料によって還元浄化される。第二還元物質供給装置７５は、噴射燃料全てがパティキュレートフィルタ７０内において活性酸素放出剤の近傍雰囲気をリッチ空燃比とするのに使用されるように、第二接続部７２ｂの内壁へ付着しないように燃料を噴射することが好ましい。また、パティキュレートフィルタ７０の再生時において、弁体７１ａを開放位置としてパティキュレートフィルタ７０へ排気ガスが流入しないようにして、第二還元物質供給装置７５から噴射される燃料が自身慣性力によってパティキュレートフィルタへ供給されるようにしても良い。
【００５４】
もし、弁体７１ａを第二遮断位置としてパティキュレートフィルタ７０へ燃料を供給すると、パティキュレートフィルタ７０を多量の排気ガスが通過することとなり、燃料はこの多量の排気ガスと共に単にパティキュレートフィルタを通過し易い。こうして、多量の燃料を供給しない限りパティキュレートフィルタ７０の近傍雰囲気をリッチ空燃比してパティキュレートフィルタ７０を再生することはできず、燃料消費が増大するだけでなく、パティキュレートフィルタ７０を単に通過した燃料が大気中へ放出され、排気エミッションを悪化させることとなってしまう。それにより、前述のようにしてパティキュレートフィルタ７０へ流入する排気ガス量を十分に減少させ又はパティキュレートフィルタ７０へ流入する排気ガスを無くすことにより、非常に少量の燃料でパティキュレートフィルタ７０内を所望のリッチ空燃比とすることができる。
【００５５】
こうして、第二還元物質供給装置７５は、単位時間当たりの燃料噴射量を非常に少なく制御してパティキュレートフィルタ７０内を所望のリッチ空燃比とすることが必要とされる。それにより、噴孔の大きさは小さくされ、又は、燃料噴射圧は低く設定され、意図する少量の燃料を正確に噴射可能なものとされている。また、第二還元物質供給装置７５として、機関始動直後の車内補助暖房装置として使用される燃焼式ヒータを使用することも可能である。燃焼式ヒータの排気中には、未燃ＨＣ及びＣＯ等の還元物質を多く含むために、この排気によってもパティキュレートフィルタ７０内を所望のリッチ空燃比とすることができる。
【００５６】
この場合において、燃焼式ヒータの排気を調量して単位時間当たりの還元物質供給量が非常に少なくなるように制御され、第二接続部７２ｂへ供給するようにする。燃焼式ヒータは、一般的に、強制排気手段を具備するために、この強制排気手段による排気圧力を利用して、第二接続部７２ｂへ排気を供給するようにすれば、弁体７１ａを開放位置として第二接続部７２ｂ内に機関排気ガス流れが無くても、還元物質をパティキュレートフィルタへ供給することができる。燃焼式ヒータの排気に含まれる未燃ＨＣ及びＣＯは、気体であるために、第二接続部７２ｂへ液体燃料を供給する場合に比較して、パティキュレートフィルタ７０内において貴金属触媒により良好に燃焼して酸素濃度を低下させると共に、放出されたＮＯXを良好に還元浄化することができる。
【００５７】
ところで、本実施例において、パティキュレート浄化装置としてのパティキュレートフィルタは、前述したように、逆転手段によって排気上流側と排気下流側とを逆転可能となっており、それにより、捕集パティキュレートを比較的良好に酸化除去することができる。しかしながら、何らかの要因によって比較的多量のパティキュレートがパティキュレートフィルタに堆積することがある。前述したように、パティキュレートフィルタへのパティキュレート堆積量を、パティキュレートフィルタの直上流側と直下流側との間の差圧等を利用して検出している場合には、どのような運転パターンが実施されても、設定量のパティキュレートが堆積した時点でパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とが逆転されるために、比較的多量のパティキュレートが堆積する可能性は低い。しかしながら、単に定期的又は不定期にパティキュレートフィルタの上流側と下流側とを逆転する場合には、パティキュレートが多量に排出される運転が比較的長く実施され、その直後に、排気ガス温度の低い運転が実施されてパティキュレートフィルタの温度と共に酸化除去可能微粒子量が低下する等のパティキュレートの酸化除去にとって好ましくない運転パターンが実施されると、逆転以前にパティキュレートフィルタには比較的多量のパティキュレートが堆積してしまうことがある。
【００５８】
運転パターンを監視することにより、又は、パティキュレートフィルタの排気抵抗の増大に伴う機関出力の減少が検出されれば、パティキュレートフィルタにこのような比較的多量のパティキュレートが堆積していると推定することができる。このように推定された時には、燃料等の還元物質を比較的多量にパティキュレートフィルタへ供給し、パティキュレートフィルタの有する酸化機能によってこの還元物質を燃焼させ、この燃焼熱によって堆積パティキュレートを酸化除去し易いものとすると共にパティキュレートフィルタを昇温して酸化除去可能微粒子量を向上させ、堆積パティキュレートを酸化除去することが必要である。
【００５９】
このように堆積パティキュレートの酸化除去のために還元物質をパティキュレートフィルタ７０へ供給する際には、切換部７１の上流側に配置された第一還元物質供給装置７４が使用される。第一還元物質供給装置７４から供給される単位時間当たりの還元物質量は、現在の排気ガス流量を考慮して、すなわち、排気ガス流量が多ければ、それだけ還元物質がパティキュレートフィルタ７０を単に通過してしまうことを考慮して、現在の堆積パティキュレート量を酸化除去可能な単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量に対応した温度へパティキュレートフィルタ７０を昇温するのに必要な単位時間当たりの還元物質量とされる。すなわち、現在の排気ガス流量が多いほど、また、パティキュレートフィルタ７０の温度が低いほど、また、堆積パティキュレート量が多いほど、単位時間当たりの還元物質量が多く決定され、これは必要最小限の単位時間当たりの還元物質量である。こうして、現在の排気ガス流量が多いか又は現在のパティキュレートフィルタ７０の温度が低い場合には、第一還元物質供給装置７４は、単位時間当たりの燃料噴射量を非常に多く制御してパティキュレートフィルタ７０を昇温することが必要とされる。それにより、第一還元物質供給装置７４は、第二還元物質供給装置７５に比較して、噴孔の大きさは大きくされ、又は、燃料噴射圧は高く設定され、意図する多量の燃料を正確に噴射可能なものとされている。もちろん、必要最小限以上に燃料を噴射しても堆積パティキュレートを酸化除去することはできるが、燃料消費が悪化することとなる。
【００６０】
第二還元物質供給装置７５は、少量の還元物質を正確に噴射するのに適しており、このように多量の還元物質を噴射することはできない。それにより、本実施例では、多量の還元物質を正確に噴射するの適した第一還元物質供給装置７４を別に設けることによって、パティキュレートフィルタ７０がＮＯX浄化装置又はパティキュレート浄化装置として機能する場合には、非常に少量から非常に多量に還元物質を必要とすることがあるが、この要求を満たすことができる。
【００６１】
また、パティキュレートフィルタ７０へ多量の還元物質を供給する際に、第一還元物質供給装置７４及び第二還元物質供給装置７５の両方を使用するようにしても良い。この場合においては、第一還元物質供給装置７４は、特に、多量の還元物質の噴射に適したものとしなくても良く、すなわち、第二還元物質供給装置７５に比較して、必ずしも噴孔の大きさを大きくしなくても、又は、必ずしも噴射圧を高く設定しなくても良い。こうして、必要最小限の多量の還元物質をパティキュレートフィルタ７０へ供給する際に、例えば、第一還元物質供給装置７４は最大又は所定量の還元物質を供給し、第二還元物質供給装置７５は、必要最小限の還元物質量に不足する分の還元物質を制御して供給するようにすれば良い。この時において、パティキュレートフィルタ７０の温度を監視していれば、パティキュレートフィルタ７０が所望温度へ昇温されるように、第二還元物質供給装置７５の還元物質供給量をフィードバック制御することも可能である。これらの場合において、前述のように第一還元物質供給装置７４における還元物質の供給量は一定とすることができ供給量制御は不要となる。
【００６２】
こうして、第一還元物質供給装置７４及び第二還元物質供給装置７５の両方を使用してパティキュレートフィルタ７０へ還元物質を供給する場合には、本実施例では、弁体７１ａが第二遮断位置とされていることが必要である。もし、弁体７１ａが第一遮断位置とされていると、第二還元物質供給装置７５はパティキュレートフィルタ７０の下流側に位置することとなってパティキュレートフィルタ７０へ還元物質を供給することができない。それにより、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えることが必要である。しかしながら、車両の高速走行中等のように排気ガス中に比較的多量のパティキュレートが含まれる場合に、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えてパティキュレートフィルタ７０の排気上流側と排気下流側とを逆転すると、弁体７１ａが開放位置を通過する際にパティキュレートフィルタをバイパスする排気ガスによって比較的多量のパティキュレートが大気中へ放出されることとなる。
【００６３】
これを防止するために、多量の還元物質をパティキュレートフィルタ７０へ供給する際に、もし、弁体７１ａが第一遮断位置となっていれば、排気ガス流量に応じて弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えるか否かを判断すれば良い。すなわち、排気ガス流量が設定値を越えていなければ、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えても排気ガスによる堆積パティキュレートの剥離はあまり発生せず、大気中へ放出されるパティキュレート量は設定量未満であると推定され、この時には、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えて第一還元物質供給装置７４及び第二還元物質供給装置７５の両方によって前述したように還元物質をパティキュレートフィルタ７０へ供給するようにする。また、排気ガス流量が設定値を越えていれば、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えると排気ガスによる堆積パティキュレートの剥離が発生し、大気中へ放出されるパティキュレート量は設定量以上であると推定され、この時には、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えることなく、第一還元物質供給装置７４だけによって還元物質をパティキュレートフィルタ７０へ供給するようにする。
【００６４】
この場合において、もし、第一還元物質供給装置７４の単位時間当たりの最大供給量が堆積パティキュレートを酸化除去するのに必要な最小限の単位時間当たりの還元物質量を下回っていれば、堆積パティキュレートを完全に酸化除去することはできない。しかしながら、この還元物質の供給によって堆積パティキュレート量を減少させることはできる。こうして、堆積パティキュレート量が減少すれば、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えても排気ガス流による剥離が起こり難くなるために、弁体７１ａを第二遮断位置へ切り換えて、第一還元物質供給装置７４及び第二還元物質供給装置７５の両方によってパティキュレートフィルタ７０へ必要量の還元物質を供給することができる。
【００６５】
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、パティキュレートフィルタ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パティキュレートフィルタ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パティキュレートフィルタの隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィルタ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。
【００６６】
前述した実施例において、パティキュレートフィルタ７０は、周囲に過剰酸素が存在するとＮＯXを酸素と結合させて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活性酸素放出剤を担持するものであり、それにより、パティキュレートフィルタ７０は、捕集パティキュレートを酸化除去可能なパティキュレート浄化装置として機能すると共に、ＮＯXを吸蔵して還元浄化可能なＮＯX浄化装置としても機能する。こうして、本パティキュレートフィルタ７０は、パティキュレート浄化装置及びＮＯX浄化装置を一体化したものである。
【００６７】
しかしながら、これは本発明を限定するものではない。例えば、パティキュレート浄化装置とＮＯX浄化装置とを別体として機関排気系に配置しても良い。この場合において、この機関排気系は、ＮＯX浄化装置が少量の還元物質を必要とすることがある一方で、パティキュレート浄化装置が多量の還元物質を必要とすることもあり、一つの還元物質供給装置ではこの要求を満足することはできない。この場合においても、少なくとも二つの還元物質供給装置を機関排気系に配置して、少量の還元物質が必要とされる時には二つの還元物質供給装置において少量の還元物質の供給に適した一方を使用することにより、必要量の還元物質を正確に制御して機関排気系へ供給することができ、また、多量の還元物質が必要とされる時には二つの還元物質供給装置の両方又は多量の還元物質の供給に適した他方を使用することにより、必要量の還元物質を正確に制御して機関排気系へ供給することができる。
【００６８】
このような場合において、パティキュレート浄化装置及びＮＯX浄化装置は、機関排気系にいずれを排気上流側として配置しても良いが、第一還元物質供給装置及び第二還元物質供給装置は、自身より上流側に位置するパティキュレート浄化装置又はＮＯX浄化装置には還元物質を供給することができないことを考慮して、意図する還元物質の供給が実現されるように機関排気系に配置しなければならない。
【００６９】
前述したように、排気上流側と排気下流側とを逆転することができれば、パティキュレート浄化装置において捕集パティキュレートを酸化除去し易くなる。しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、逆転手段を有していなくても、捕集パティキュレートの酸化除去が不十分となれば、前述したように第一還元物質供給装置及び第二還元物質供給装置の両方又は第一還元物質供給装置によってパティキュレート浄化装置へ還元物質を供給して酸化除去可能微粒子量を向上させれば良い。
【００７０】
また、ＮＯX浄化装置からＮＯXを放出させる際に、ＮＯX浄化装置へ流入する排気ガス量を減少させるためのバイパス手段も本発明を限定するものではなく、例えば、排気ガス流量が少ない時にＮＯX浄化装置からＮＯXを放出させるようにすれば、前述同様に、供給する単位時間当たりの還元物質供給量を少なくすることができる。
【００７１】
ＮＯX浄化装置にバイパス手段を設ける場合には、機関排気系においてバイパス手段の分岐部より下流側にＮＯX浄化装置へ還元物質を供給するための第二還元物質供給装置を配置しなければならない。
【００７２】
図１３はもう一つの排気浄化装置を示す断面図であり、図１４はその側面図である。また、図１５は図１３と異なる弁体の遮断位置を示す断面図であり、図１６は、弁体の開放位置を示す断面図である。本排気浄化装置は、中央管部材７１０と、中央管部材７１０を取り囲むカバー部材７２０とを有している。中央管部材７１０の上流側端部は排気マニホルド１７の下流側に排気管１８を介して接続され、下流側端部はマフラ等を介して排気ガスを大気中へ放出するための下流排気管７４０に接続されている。中央管部材７１０は、弁体７１０ａが配置された上流部分７１０ｂと、上流部分７１０ｂの直下流側に位置する中流部分７１０ｃと、中流部分７１０ｃの直下流側に位置する下流部分７１０ｄとから構成されている。
【００７３】
上流部分７１０ｂの側面には、対向して第一開口７１０ｅと第二開口７１０ｆとが形成されている。弁体７１０ａは、負圧アクチュエータ又はステップモータ等によって回動されて上流部分７１０ｂ内を上流側と下流側との間で遮断する二つの遮断位置とすることができる。図１３に示す第一遮断位置においては、上流側と第一開口７１０ｅとが連通されると共に下流側と第二開口７１０ｆとが連通される。また、図１５に示す第二遮断位置においては、上流側と第二開口７１０ｆとが連通されると共に下流側と第一開口７１０ｅとが連通される。
【００７４】
中流部分７１０ｄ内には触媒装置７３０が配置されている。また、前述同様な長円形断面を有するパティキュレートフィルタ７００が外側ケース７００ａと共に下流部分７１０ｄの側面を貫通して配置されている。
【００７５】
このような構成によって、弁体７１０ａが第一遮断位置とされると、排気ガスは、図１３及び図１４に矢印で示すように、上流部分７１０ｂの上流側から第一開口７１０ｅを通り、中央管部材７１０とカバー部材７２０との間の空間へ流出し、パティキュレートフィルタ７００を通過した後に、第二開口７１０ｆを通り再び上流部分７１０ｂへ流入する。その後、排気ガスは、中流部分７１０ｃ内に配置された触媒装置７３０を通過し、下流部分７１０ｄ内をパティキュレートフィルタ７００の外側ケース７００ａの回りを通り下流排気管７４０へ向けて流れる。
【００７６】
一方、弁体７１０ａが第二遮断位置とされると、排気ガスは、図１５に示すように、上流部分７１０ｂの上流側から第二開口７１０ｆを通り、中央管部材７１０とカバー部材７２０との間の空間へ流出し、パティキュレートフィルタ７００を第一遮断位置とは逆方向に通過した後に、第一開口７１０ｅを通り再び上流部分７１０ｂへ流入する。その後は、第一遮断位置と同様に、排気ガスは、中流部分７１０ｃ内に配置された触媒装置７３０を通過し、下流部分７１０ｄ内をパティキュレートフィルタ７００の外側ケース７００ａの回りを通り下流排気管７４０へ向けて流れる。
【００７７】
また、図１６に示すように、弁体７１０ａは、第一遮断位置と第二遮断位置との間の開放位置とすることも可能である。この開放位置においては、中央管部材７１０の上流部分７１０ｂは解放されるために、排気ガスは、図１６に矢印で示すように、カバー部材７２０と中央管部材７１０との間の空間へ流出することなく、すなわち、パティキュレートフィルタ７００を通過することなく、直接的に中流部分７１０ｃ内の触媒装置７３０へ流入する。
【００７８】
このような構成により、図２及び３に示した排気浄化装置と同様に、上流側部分７１０は切換部となり、弁体７１０ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他方へ切り換えることによりパティキュレートフィルタ７００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と共に、弁体７１０ａを開放位置とすれば、排気ガスがパティキュレートフィルタ７００をバイパスすることができ、また、弁体７１０ａを開放位置から僅かに第二遮断位置側へ回動させることにより、僅かな排気ガスだけをパティキュレートフィルタ７００へ流入させることができる。
【００７９】
本排気浄化装置においても、パティキュレートフィルタ７００には、前述同様な活性酸素放出剤が担持され、こうして、パティキュレートフィルタ７００はパティキュレート浄化装置及びＮＯX浄化装置として機能する。また、排気管１８には前述同様な第一還元物質供給装置７４が配置され、前述の第二接続部に相当するカバー部材７２０の第二開口７１０ｆ近傍には前述同様な第二還元物質供給装置７５が配置されている。それにより、第一還元物質供給装置７４及び第二還元物質供給装置７５を前述同様に使用してパティキュレートフィルタ７００へ還元物質を供給することができる。
【００８０】
本排気浄化装置では、排気ガスが、パティキュレートフィルタ７００をバイパスしても、パティキュレートフィルタ７００をいずれの方向に通過した後にも、必ず触媒装置７３０を通過する。この触媒装置７３０が酸化触媒を担持していれば、触媒装置７３０を通過する排気ガス中のＨＣ及びＣＯ等の還元物質を浄化することができ、特に、排気ガス流量が多い時にパティキュレートフィルタ７００へ還元物質を供給する場合には、一部の還元物質がパティキュレートフィルタを単に通過することがあるが、この還元物質を良好に浄化することができる。また、触媒装置７３０における還元物質の浄化は、還元物質の燃焼であり、この燃焼熱によって触媒装置７３０を通過する排気ガスが加熱される。こうして比較的高温度の排気ガスが、図１４に示すように、パティキュレートフィルタ７００の周囲を通過するために、パティキュレートフィルタ７００は加熱され、パティキュレートフィルタの酸化除去可能微粒子量が高められる。
【００８１】
パティキュレートフィルタ又はパティキュレート浄化装置には、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８に示す実線に比べて若干右側に移動する。また、ＮＯX浄化装置を別体として設ける場合には、パティキュレート浄化装置は、必ずしもＮＯXを保持しなくても良く、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、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。
【００８２】
パティキュレート浄化装置を別体として設ける場合には、ＮＯX浄化装置は、ハニカム構造担体の隔壁に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を担持すれば良い。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、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、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。もちろん、パティキュレート浄化装置及びＮＯX浄化装置として機能するパティキュレートフィルタには、任意の活性酸素放出剤に加えて任意のＮＯX吸収剤を担持させても良い。
【００８３】
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及びＮＯX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。
【００８４】
【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、排気ガス中のパティキュレートを浄化するためのパティキュレート浄化装置と排気ガス中のＮＯＸを浄化するためのＮＯＸ浄化装置とを一体の浄化装置として機関排気系に具備し、一体の浄化装置へ還元物質を供給するための少なくとも二つの還元物質供給装置が前記機関排気系に配置され、一体の浄化装置がＮＯＸ浄化装置としてＮＯＸを放出するために少量の還元物質を必要とする時には、二つの還元物質供給装置の一方によって機関排気系へ必要量の還元物質を供給し、一体の浄化装置がパティキュレート浄化装置として堆積パティキュレートを除去するために多量の還元物質を必要とする時には、二つの還元物質供給装置の他方によって機関排気系へ必要量の還元物質を供給し、一体の浄化装置を必要に応じて排気ガスがバイパスすることを可能とするバイパス手段が設けられ、バイパス手段は切換部内に位置する弁体を具備し、弁体を開放位置として切換部内を開放すれば、排気ガスが一体の浄化装置をバイパスし、弁体を第一閉鎖位置として切換部内を遮断すれば、切換部内の上流側が一体の浄化装置の一方側に連通すると共に切換部内の下流側が一体の浄化装置の他方側に連通して排気ガスは一体の浄化装置を一方側から他方側へ通過し、弁体を第二閉鎖位置として切換部内を遮断すれば、切換部内の上流側が一体の浄化装置の他方側に連通すると共に切換部内の下流側が一体の浄化装置の一方側に連通して排気ガスは一体の浄化装置を他方側から一方側へ通過するようになっており、一方の還元物質供給装置は、一体の浄化装置の他方側へ還元物質を供給するように位置し、一方の還元物質供給装置から還元物質が供給される時には、バイパス手段によって一体の浄化装置の他方側から一方側へ通過する排気ガス量が減少させられ、他方の還元物質供給装置は、切換部の上流側に還元物質を供給するようになっている。それにより、一方の還元物質供給装置を少量の還元物質の供給に適したものとして正確な少量の還元物質供給を実現可能とし、また、他方の還元物質供給装置を多量の還元物質の供給に適したものとして正確な多量の還元物質の供給も実現可能とすることができる。こうして、パティキュレート浄化装置とＮＯＸ浄化装置とを一体として機関排気系に具備するために、この機関排気系は、還元物質の必要量の幅が非常に大きくなるが、二つの還元物質供給装置によって、これを満足する非常に大きな供給量制御幅を実現することができる。
【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】本発明による排気浄化装置を示す機関排気系における切換部及びパティキュレートフィルタ近傍の平面図である。
【図３】図２の側面図である。
【図４】切換部内の弁体の図２とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図５】切換部内の弁体の開放位置を示す図である。
【図６】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図７】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８】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である。
【図９】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１０】パティキュレートフィルタへの多量のパティキュレートの堆積を防止するためのフローチャートである。
【図１１】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面図である。
【図１２】パティキュレートフィルタからＮＯXを放出させる際の切換部内の弁体位置を示す図である。
【図１３】本発明によるもう一つの排気浄化装置を示す断面図である。
【図１４】図１３の側面図である。
【図１５】切換部内の弁体の図１３とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図１６】図１３の排気浄化装置における切換部内の弁体の開放位置を示す図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
７０，７００…パティキュレートフィルタ
７１ａ，７１０ａ…弁体
７４…第一還元物質供給装置
７５…第二還元物質供給装置
【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】
0003858752.tif 000008
【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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