(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓ被毒可能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と、前記パティキュレートフィルタの上流側に配置されたＳＯX捕集手段と、前記ＳＯX捕集手段からＳＯXを放出させる際には排気ガスが主に前記パティキュレートフィルタをバイパスするようにするバイパス手段とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、排気ブレーキのための排気絞り弁を前記ＳＯX捕集手段と前記バイパス手段の排気ガス分岐部との間に配置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】
前記活性酸素放出剤は、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ものであり、前記ＳＯX捕集装置からＳＯXを放出させる際には、前記排気絞り弁を閉弁側へ作動させると共に前記バイパス手段によって排気ガスが主に前記パティキュレートフィルタをバイパスするようにし、さらに、前記パティキュレートフィルタが配置された排気通路における前記バイパス手段の排気ガス分岐部と排気ガス合流部との間において燃料を供給して前記パティキュレートフィルタの周囲の酸素濃度を低下させ、前記パティキュレートフィルタからＮＯXを放出させ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。
【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が含まれており、このパティキュレートを大気中へ放出しないことが望まれている。そのために、機関排気系にパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを配置することが提案されている。
【０００３】
パティキュレートフィルタによってパティキュレートを捕集すると、捕集パティキュレートによってパティキュレートフィルタの排気抵抗が徐々に増加するために、大幅に排気抵抗が増加する以前に捕集パティキュレートを除去することが必要となる。そのための手段として、特開２００１−２７１６３３号公報には、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パティキュレートフィルタに担持させることが提案されている。活性酸素放出剤から放出される活性酸素は、捕集パティキュレートをパティキュレートフィルタ上で比較的良好に酸化することができ、こうして、自動的に捕集パティキュレートの除去が可能となる。また、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯXも大気中へ放出しないことが望ましく、このパティキュレートフィルタを使用することにより、排気ガス中のＮＯXは活性酸素放出剤に吸蔵されＮＯXの大気放出も抑制することができる。
【０００４】
ところで、前述の活性酸素放出剤は、排気ガス中のＳＯXもＮＯXと同様なメカニズムで保持してしまう。こうして保持されたＳＯXは、ＮＯXのように周囲の酸素濃度を低下させただけでは放出されないために、パティキュレートフィルタの活性酸素放出剤におけるＳＯXの保持量は増加する一方となる。ＳＯXの保持量が増加すると（以下、Ｓ被毒と称する）、その分ＮＯXを保持することができなくなる。前述のパティキュレートフィルタは、パティキュレートの酸化除去と共にＮＯXを浄化することを意図しており、こうしてＳＯX被毒によってＮＯXを保持することができなくなると、ＮＯX浄化が不十分となる。
【０００５】
パティキュレートフィルタのＳ被毒を回復するためには、周囲の酸素濃度を低下させると共にパティキュレートフィルタを高温にすれば良いが、パティキュレートフィルタの容量は比較的大きく、これを全体的に高温に加熱するためには多量のエネルギが必要となる。また、また、パティキュレートフィルタを高温度とすると、担持した活性酸素放出剤及び貴金属触媒が熱劣化してしまう。
【０００６】
それにより、パティキュレートフィルタをＳ被毒させないことが好ましく、特開２００１−２７１１４号公報には、触媒装置のＳ被毒を防止するために、触媒装置の上流側にＳＯX捕集手段を配置して触媒装置へ流入する以前に排気ガス中のＳＯXを捕集することが提案されている。いずれのＳＯX捕集手段を使用しても無限にＳＯXを捕集し続けることはできず、所定量のＳＯXを捕集した時点でＳＯX捕集手段からＳＯXを放出することが必要となるが、この時には、放出されたＳＯXが触媒装置へ流入しないように排気ガスが触媒装置をバイパスするようにすることも提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
もちろん、ＳＯX捕集手段からＳＯXを放出させる際には、ＳＯX捕集手段全体を加熱する必要がある。ＳＯX捕集手段は、ＳＯXを捕集することだけを目的とするために、パティキュレートフィルタに比較して小さな容量しか有しておらず、全体を加熱するとしてもパティキュレートフィルタ全体を加熱するよりエネルギ消費を低減することができる。しかしながら、ＳＯX捕集手段全体を加熱するには依然として比較的大きなエネルギ消費が必要となる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、排気ブレーキのための排気絞り弁を具備する内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯX捕集装置のＳ被毒回復処理におけるエネルギ消費を低減することである。
【０００９】
【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、Ｓ被毒可能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と、前記パティキュレートフィルタの上流側に配置されたＳＯX捕集手段と、前記ＳＯX捕集手段からＳＯXを放出させる際には排気ガスが主に前記パティキュレートフィルタをバイパスするようにするバイパス手段とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、排気ブレーキのための排気絞り弁を前記ＳＯX捕集手段と前記バイパス手段の排気ガス分岐部との間に配置することを特徴とする。
【００１０】
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、前記活性酸素放出剤は、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ものであり、前記ＳＯX捕集装置からＳＯXを放出させる際には、前記排気絞り弁を閉弁側へ作動させると共に前記バイパス手段によって排気ガスが主に前記パティキュレートフィルタをバイパスするようにし、さらに、前記パティキュレートフィルタが配置された排気通路における前記バイパス手段の排気ガス分岐部と排気ガス合流部との間において燃料を供給して前記パティキュレートフィルタの周囲の酸素濃度を低下させ、前記パティキュレートフィルタからＮＯXを放出させることを特徴とする。
【００１１】
【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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
排気管１８にはＳＯX捕集装置７４が配置され、第二接続部７２ｂには必要に応じて燃料を噴射可能な燃料供給装置７５が配置され、また、ＳＯX捕集装置７４と切換部７１の排気管１８側開口との間には、排気絞り弁７６が配置されており、これらに関して詳しくは後述する。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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において、捕集されたパティキュレートを酸化除去するために、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。もし、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り、ＮＯXを良好に浄化することができなくなる。それにより、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。
【００４６】
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。前述の内燃機関は、低負荷側において低温燃焼を実施し、高負荷側で通常燃焼を実施するものであるために、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、通常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。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、理論空燃比又はリッチ空燃比での低温燃焼を実施するか、又は、膨張行程や排気行程で気筒内へ燃料を噴射するなどして、パティキュレートフィルタ７０の近傍雰囲気を理論空燃比又リッチ空燃比とし、少なくとも再生が完了するまでの時間（近傍雰囲気の空燃比が小さいほど短くなる）だけこの状態を維持するようになっている。
【００４７】
本実施例において、前述したように、第二接続部７２ｂには燃料供給装置７５が配置されているために、パティキュレートフィルタ７０を再生するために、この燃料供給装置７５から燃料を噴射するようにしても良い。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燃料供給装置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。燃料供給装置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、燃料供給装置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。
【００４８】
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。
【００４９】
ところで、活性酸素放出剤には、前述したように、排気ガス中のＮＯXだけでＳＯXも吸蔵される。ＳＯXは、硫酸塩の形で吸収されており、この硫酸塩も硝酸塩と同様なメカニズムによって活性酸素を放出可能であるが、硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としてもパティキュレートフィルタから放出され難く、実際には、パティキュレートフィルタに残留して、吸蔵量が徐々に増加する。パティキュレートフィルタへの硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、パティキュレートフィルタにおける硫酸塩の吸蔵量が増加すれば（以下、ＳＯX被毒と称する）、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くＮＯXを吸収することができなくなる。こうして、パティキュレートフィルタ７０がＮＯXを吸収することができなくなれば、ＮＯX浄化にとって問題となる。
【００５０】
それにより、本実施例では、逆転手段、すなわち、切換部７１の上流側に位置する排気管１８にＳＯX捕集装置７４が配置され、パティキュレートフィルタ７０の常に上流側となる位置で排気ガス中のＳＯXを捕集してパティキュレートフィルタ７０のＳＯX被毒を防止しようとしている。
【００５１】
ＳＯX捕集装置７４は、例えば、ハニカム構造の担体にＳＯX吸収剤と好ましくは貴金属触媒等の酸化触媒とを担持したものであり、ＳＯX吸収剤としては、前述の活性酸素放出剤と同様な物質が利用可能であり、特に、バリウムＢａ及びリチウムＬｉを使用することが好ましい。これらＳＯX吸収剤は前述同様なメカニズムでＳＯXを吸収する。もちろん、ＳＯX捕集装置７４においても、ＳＯXの吸蔵可能量は有限であり、これが飽和する以前にＳＯXを放出させなければならない。
【００５２】
ＳＯX捕集装置７４においてＳＯX吸収量が増加して、これが所定値に達すれば、ＳＯXを放出させるＳＯX被毒回復を実施しなければならない。この回復時期の判断には、これまでに消費した燃料を積算して、この積算燃料量が設定量に達した時にＳＯX被毒の回復時期と判断することができる。
【００５３】
ＳＯX被毒の回復時期である時には、燃焼空燃比をリーンとして、排気ガス中には比較的多くの酸素が含まれているようにすると共に、前述の低温燃焼によって排気ガス中にＨＣ及びＣＯ等の還元物質が多く含まれるようにするか又は膨張行程や排気行程での気筒内燃料噴射をするか又はＳＯX捕集装置７４の上流側において機関排気系へ燃料を噴射する等して、ＳＯX捕集装置７４へ十分な酸素と未燃燃料等の還元物質とを供給し、ＳＯX捕集装置の有する酸化能力によって還元物質を十分に燃焼させる。
【００５４】
こうして、ＳＯX捕集装置を６００°Ｃ程度に昇温させると、安定な硫酸塩は、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＳＯXとして放出させることができる。また、ＳＯX吸収剤として、リチウムＬｉを使用すれば、６００°Ｃよりかなり低い温度でもＳＯXを放出させることができる。ＳＯX捕集装置を７００°Ｃ以上に昇温すると、担持させた白金Ｐｔ等の酸化触媒がシンタリングを起こして機能低下するために、ＳＯX捕集装置７４の直下流側の排気温度等を監視して、これが起こらないようにすることが好ましい。このＳＯX捕集装置７４のＳＯX被毒回復処理中には、切換部７１において弁体７１ａは開放位置とされており、ＳＯX捕集装置から放出されたＳＯXは、パティキュレートフィルタ７０をバイパスしてパティキュレートフィルタ７０の活性酸素放出剤に吸収されることはない。ＳＯX捕集装置を高温にして近傍雰囲気を一定時間リッチ空燃比とすると、ＳＯX被毒回復処理は完了したと判断することができ、燃焼空燃比は通常運転に適した空燃比に戻される。
【００５５】
ところで、排気ガス中には可溶有機成分ＳＯＦが含まれ、このＳＯＦは、粘着性を有し、パティキュレートフィルタ上でパティキュレート同士を付着させ大きな塊に成長させる。これは、パティキュレートフィルタにおいて、パティキュレートを酸化除去させ難くしてパティキュレートフィルタの目詰まりを促進する。それにより、ＳＯX捕集装置が酸化機能を有する触媒を担持していれば、パティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中のＳＯＦを焼失させ、ＳＯＦによるパティキュレートフィルタの目詰まりの促進を防止することができる。
【００５６】
前述したように、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れば、パティキュレートフィルタ７０において捕集パティキュレートを酸化除去させ易くなるが、これは本発明を限定するものではない。例えば、前述した低温燃焼の運転領域を拡大する等して、気筒内から排出される単位時間当たりのパティキュレート排出量がパティキュレートフィルタの温度に基づく単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量を上回らないように機関運転を制御すれば、又は、パティキュレートフィルタへ流入する単位時間当たりのパティキュレート量がパティキュレートフィルタの温度に基づく単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量を上回らないように必要に応じて排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスするようにすれば、逆転手段を有していなくても捕集パティキュレートの良好な酸化除去が可能となる。
【００５７】
しかしながら、パティキュレートフィルタ７０のＳ被毒を抑制するためにＳＯX捕集装置７４が設けられているために、ＳＯX捕集装置からＳＯXを放出させる際には、パティキュレートフィルタ７０へ多量のＳＯXが流入することを防止しなければならず、本発明において、多量のＳＯXを含む排気ガスがパティキュレートフィルタ７０をバイパスするためのバイパス手段は必要である。もちろん、バイパス手段は、前述のように逆転手段と一体としても良いが、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一般的なバイパス通路を有するものでも良い。
【００５８】
ところで、特に大型車両等を減速させるために、通常のブレーキ装置に加えて、エンジンブレーキを発生させる排気ブレーキが使用される。排気ブレーキは、排気絞り弁により機関排気系を絞って排気抵抗を増大させ、エンジンブレーキを発生させるものである。こうして、排気ブレーキを具備する内燃機関では、機関排気系に排気絞り弁を配置しなければならない。本実施例では、前述したように、ＳＯX捕集装置７４と、切換部７１の排気管１８側開口、すなわち、バイパス通路の排気ガス分岐部との間に、排気絞り弁７６が配置されている。
【００５９】
排気絞り弁７６は、排気絞り弁７６から上流側の機関排気系の容積を小さくするように配置することが好ましく、例えば、比較的大きな容積を有するパティキュレートフィルタ７０の下流側に配置すると、排気絞り弁７６によって排気通路を閉鎖又は絞っても排気絞り弁７６上流側全体の圧力が高まって実際にエンジンブレーキが発生するまでに比較的長い時間が必要となってしまう。本実施例では、パティキュレートフィルタ７０の上流側、すなわち、バイパス通路の排気ガス分岐部より上流側に排気絞り弁７６を配置するようにしたために、排気絞り弁上流側の排気系容積は比較的小さく、排気絞り弁によって排気通路を閉鎖又は絞れば、比較的短い時間でエンジンブレーキを発生させることができる。
【００６０】
ところで、ＳＯX捕集装置７４においてＳＯXは主に排気上流部で捕集され、ＳＯX捕集装置７４の排気上流部が主にＳ被毒する。それにより、ＳＯX捕集装置７４においてＳ被毒回復処理を実施する際には、排気上流部が所望温度となるようにＳＯX捕集装置７４を昇温しなければならない。この昇温は、前述したように酸素及び還元物質をＳＯX捕集装置７４へ供給してＳＯX捕集装置の有する酸化能力によって還元物質を燃焼させることによって行われる。この燃焼も主にはＳＯX捕集装置の排気上流部において引き起こされるが、この時に、ＳＯX捕集装置７４を通過する排気ガス量が多いと、この燃焼熱の多くは直ぐに多量の排気ガス流によって下流側に移動し、排気下流部を加熱した後に排気下流部から排出されてしまう。こうして、ＳＯX捕集装置７４の排気下流部は比較的良好に昇温されるが、排気上流部はあまり昇温されない。
【００６１】
それにより、Ｓ被毒しているＳＯX捕集装置７４の排気上流部を所望温度へ昇温するためには、排気ガス流に奪われる燃焼熱を考慮して、さらに多量の燃焼熱が発生するように未燃燃料等の還元物質を多量のＳＯX捕集装置７４へ供給しなければならない。こうして、一般的に、ＳＯX捕集装置７４を所望温度に昇温するためには、容量の大きなパティキュレートフィルタ７０を昇温する場合に比較して消費エネルギを少なくすることができるが、依然として比較的多くのエネルギが必要となる。本実施例では、この消費エネルギを低減するために、ＳＯX捕集装置７４の下流側に配置した排気ブレーキのための排気絞り弁７６を閉弁側に作動させ、ＳＯX捕集装置のＳ被毒回復処理においてＳＯX捕集装置を通過する排気ガス量を減少させるようになっている。
【００６２】
それにより、それほど多量の還元物質をＳＯX捕集装置７４へ供給しなくてもこれら還元物質は主にＳＯX捕集装置７４の排気上流部において燃焼し、この燃焼熱は、あまり排気ガス流によって奪われることはなく、排気上流部を良好に加熱する。また、一部の還元物質は排気下流部に達して燃焼し、排気ガス流によって排気上流部から排気下流部へ移動する熱もあるために、ＳＯX捕集装置７４の排気下流部も所望温度に加熱される。また、ＳＯX捕集装置を通過する排気ガス量が少ないと、排気ガス流によってＳＯX捕集装置から排出される燃焼熱も少なくなって、還元物質の燃焼熱をＳＯX捕集装置の昇温に効果的に利用することができる。こうして、比較的少ない還元物質を使用してＳＯX捕集装置全体を所望温度に昇温することが可能となり、ＳＯX捕集装置を昇温するためのエネルギ消費を低減することができる。ＳＯX捕集装置の排気上流部を電気ヒータ等によって加熱する場合においても、ＳＯX捕集装置７４を通過する排気ガス量を減少させれば、排気ガス流によってＳＯX捕集装置から排出される熱量が少なくなるために消費エネルギを低減することができる。
【００６３】
このように、本実施例では、排気ブレーキとして配置した排気絞り弁７６をＳＯX捕集装置のＳ被毒回復処理においては昇温エネルギの低減に利用するようになっている。ＳＯX捕集装置７４のＳ被毒回復処理を実施する時が機関減速時であれば、排気絞り弁７６によって排気通路をほぼ閉鎖することによって、大きなエンジンブレーキを発生させることができると共に、ＳＯX捕集装置７４での還元物質の燃焼熱はＳＯX捕集装置７４から殆ど排出されることはなく、非常に効果的にＳＯX捕集装置７４を昇温させることができる。この場合においては、排気ガス流によって還元物質をＳＯX捕集装置７４へ供給することは難しく、ＳＯX捕集装置７４へ直接的に燃料等の還元物質を供給するための燃料供給装置を設けることが好ましい。機関減速時以外においてＳＯX捕集装置７４のＳ被毒回復処理を実施する時には、排気絞り弁７６によって排気通路をほぼ閉鎖することは機関運転にとって好ましくなく、排気絞り弁７４を閉弁側に作動させてＳＯX捕集装置を通過する排気ガス量を機関運転に悪影響しない範囲で減少させることが好ましい。
【００６４】
前述したように、ＳＯX捕集装置７４のＳ被毒回復処理を実施している時には、ＳＯX捕集装置７４から放出されたＳＯXによってパティキュレートフィルタ７０がＳ被毒しないように、排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスするようにする。すなわち、この時には、排気ガスがパティキュレートフィルタ７０を殆ど通過しない。それにより、この時にパティキュレートフィルタ７０において燃料供給装置７５を使用して前述したようにＮＯXを放出させる再生処理を実施すれば、パティキュレートフィルタ７０の再生のためだけに弁体７１ａを開放位置近傍とする機会が減少し、それにより、弁体７１ａ及びそのアクチュエータの寿命低下を防止することができる。
【００６５】
こうして、ＳＯX捕集装置７４のＳＯX被毒回復処理中にパティキュレートフィルタ７０のＮＯX再生処理を実施する場合に、弁体７１ａを開放位置とすると、排気ガスは殆どパティキュレートフィルタ７０へ流入しないために、燃料供給装置７５は、排気ガス流を利用することなく、噴射燃料の自身慣性力等をよって直接的に燃料をパティキュレートフィルタ７０へ供給しなければならない。一方、この場合において図２８に示すように弁体７１ａを第二遮断位置側へ僅かに回動させれば、僅かな量の排気ガスがパティキュレートフィルタ７０へ流入するようになり、この排気ガスによって燃料供給装置７５から噴射された燃料をパティキュレートフィルタへ導くことが可能となる。この時において、ＳＯX捕集装置７４から放出されたＳＯXがパティキュレートフィルタへ流入することとなるが、この僅かな量の排気ガス中に含まれるＳＯXは微量であり、それほど問題とはならない。
【００６６】
こうして、本実施例では、ＳＯX捕集装置７４のＳ被毒回復時期において、ＳＯXを放出させる際に、排気絞り弁７６を閉弁方向に作動してＳＯX捕集装置７４を通過する排気ガス量を減少させると共に、弁体７１ａを開放位置とし又は開放位置から僅かに第二遮断位置側へ回動させて、主に排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスするようにし、パティキュレートフィルタ７０からＮＯXを放出させるようになっている。また、車両減速時においては、エンジンブレーキを発生させるために排気絞り弁７６によってほぼ排気通路を閉鎖することとなるために、この時に、ＳＯX捕集装置７４を良好に昇温してＳＯXを放出させ、それにより、弁体７１ａを開放位置とし又は開放位置から僅かに第二遮断位置側へ回動させて、放出したＳＯXが主にパティキュレートフィルタをバイパスするようにし、それと同時に、パティキュレートフィルタ７０の再生を実施してＮＯXを放出させるようにしても良い。もちろん、車両減速毎にＳＯX捕集装置のＳ被毒回復及びパティキュレートフィルタのＮＯX再生を実施する必要はなく、車両減速から車両減速までの時間が短ければ、ＳＯX捕集装置のＳ被毒回復及びパティキュレートフィルタのＮＯX再生を実施しなくても良い。
【００６７】
本実施例では、排気絞り弁７６をＳＯX捕集装置７４の下流側で、切換部７１の排気管１８側開口、すなわち、切換部７１の上流側開口の直上流側に配置している。それにより、前述したように、排気絞り弁７６をＳＯX捕集装置の昇温エネルギの低減に利用することができると共に、排気絞り弁７６と切換部７１とが近接するために、例えば、排気絞り弁７６と切換部７１内の弁体７１ａとのアクチュエータが共に負圧を利用するものである場合には、これら二つのアクチュエータの負圧タンクを共用とすることができる。
【００６８】
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。
【００６９】
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。排気管１８には、図２及び３に示す排気浄化装置と同様なＳＯX捕集装置７４が配置され、ＳＯX捕集装置７４の下流側に排気絞り弁７６が配置されている。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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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ている。また、図２及び図３に示す排気浄化装置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燃料供給装置７５が配置されている。本排気浄化装置においても、前述の弁体７００ａ、燃料供給装置７５、及び排気絞り弁７６等の前述同様な制御によって前述同様な効果を得ることができる。
【００７７】
さらに、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、燃料供給装置７５から供給された燃料の一部が、パティキュレートフィルタを単に通過したとしても、この燃料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。
【００７８】
パティキュレートフィルタに、Ｓ被毒する活性酸素放出剤に加えて、活性酸素放出剤としてセリアを担持す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。
【００７９】
図１７はもう一つの排気浄化装置を示す平面図である。本排気浄化装置には、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ための逆転手段は設けられおらず、パティキュレートフィルタ７０’が配置された排気通路７７には、パティキュレートフィルタ７０’をバイパスするバイパス通路７８が、排気ガス分岐部Ａと排気ガス合流部Ｂを介して接続されている。パティキュレートフィルタ７０’は、円形断面を有することを除き図６に示したパティキュレートフィルタ７０と同様な構成を有している。本排気浄化装置においても、パティキュレートフィルタ７０’の上流側には前述同様なＳＯX捕集装置７４が設けられ、ＳＯX捕集装置７４とバイパス通路７８の排気ガス分岐部Ａとの間には前述同様な排気絞り弁７６が配置され、また、パティキュレートフィルタ７０’が位置する排気通路７７において排気ガス分岐部Ａの下流側には、パティキュレートフィルタ７０’へ燃料を供給するための前述同様な燃料供給装置７５が配置されている。
【００８０】
バイパス通路７７の排気ガス分岐部Ａには弁体７９が配置され、通常時は、弁体７９を第一位置としてバイパス通路７８を閉鎖することにより、排気ガスがパティキュレートフィルタ７０’を通過するようにする。一方、ＳＯX捕集装置７４からＳＯXを放出する時等には、弁体７９を第二位置として排気通路７７を閉鎖することにより、排気ガスがバイパス通路７８を通過するようにする。弁体７９は、図１７に示すように第二位置から僅かに第一位置側へ回動させることにより、大部分の排気ガスがパティキュレートフィルタ７０’をバイパスするようにして、一部の排気ガスだけがパティキュレートフィルタ７０’を通過するようにすることも可能である。
【００８１】
本排気浄化装置においても、排気絞り弁７６と弁体７９は近接して配置されるために、いずれもが負圧アクチュエータにより作動される場合には、負圧タンクを共用することができる。また、弁体７９、燃料供給装置７５、及び排気絞り弁７６等を前述同様に制御すれば、前述同様な効果を得ることができる。
【００８２】
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。
【００８３】
【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、Ｓ被毒可能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と、パティキュレートフィルタの上流側に配置されたＳＯX捕集手段と、ＳＯX捕集手段からＳＯXを放出させる際には排気ガスが主にパティキュレートフィルタをバイパスするようにするバイパス手段とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、排気ブレーキのための排気絞り弁をＳＯX捕集手段とバイパス手段の排気ガス分岐部との間に配置するようになっている。それにより、排気絞り弁の上流側における機関排気系の容積は、容量の大きなパティキュレートフィルタを含むことはないために、比較的小さくなり、車両減速時において排気絞り弁によって機関排気系を絞れば、上流側の圧力は直ぐに上昇してエンジンブレーキを発生させることができる。また、ＳＯXを放出させるためにＳＯX捕集手段を昇温させる際に、排気絞り弁を使用してＳＯX捕集手段を通過する排気ガス量を減少させることができ、それにより、昇温時においてＳＯX捕集手段から排気ガスによって排出される熱量が減少するために、ＳＯX捕集手段を所望温度へ昇温する際に必要な消費エネルギを低減することができる。さらに、バイパス手段の弁体が排気ガス分岐部に設けられている場合には、この弁体と排気絞り弁とを近接して配置することができ、それぞれのアクチュエータが、例えば、負圧を利用するものであるならば、負圧タンクを二つのアクチュエータで共用することができる。
【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】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】機関排気系における図２とは異なる切換部及びパティキュレートフィルタ近傍の断面平面図である。
【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】切換部内の弁体の開放位置を示す図である。
【図１７】もう一つの排気浄化装置を示す平面図である。
【符号の説明】
７１…切換部
７０，７０’，７００…パティキュレートフィルタ
７４…ＳＯX捕集装置
７５…燃料供給装置
７６…排気絞り弁
７８…バイパス通路
【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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