(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に排気ガス中の成分を浄化するための第一排気浄化手段を配置すると共に該第一排気浄化手段上流の機関排気通路内に第二排気浄化手段を配置した排気浄化装置において、第二排気浄化手段は通路を画成する隔壁を有し、該隔壁は予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されており、上記隔壁はその端部分において上記通路の端部に向かって流路断面積が徐々に小さくなる錐状のテーパ壁を有し、該テーパ壁は上記通路の端部開口が隔壁の上記細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分を寄せ集めて該端部分同士を部分的に接続することにより形成されることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
上記第一排気浄化手段は流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにＮＯXを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチであるときに吸蔵したＮＯXを放出して還元させるＮＯX触媒を具備する請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
上記第一排気浄化手段は排気ガス中の微粒子を酸化除去することができるパティキュレートフィルタである請求項１または２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
上記第二排気浄化手段は排気マニホルド内に配置されるかまたは排気マニホルドの排気下流側において排気マニホルドに連結されている請求項１〜３のいずれか一つに記載の排気浄化装置。
【請求項５】
上記第一排気浄化手段と第二排気浄化手段との間の機関排気通路から第一排気浄化手段を迂回するバイパス通路を分岐させると共に第一排気浄化手段およびバイパス通路のいずれか一方に排気ガスを流入させるための切替弁を設け、上記第二排気浄化手段は該第二排気浄化手段に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＳＯXを吸蔵し且つ第二排気浄化手段に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると共に第二排気浄化手段の温度がＳＯX放出温度よりも高くなると吸蔵したＳＯXを放出するＳＯX吸蔵剤を具備し、上記第二排気浄化手段のＳＯX吸蔵剤からＳＯXを放出しないときには第二排気浄化手段から流出した排気ガスが第一排気浄化手段に流入する位置に切替弁を保持すると共に第二排気浄化手段のＳＯX吸蔵剤からＳＯXを放出するときには第二排気浄化手段から流出した排気ガスが上記バイパス通路に流入する位置に切替弁を保持するようにした請求項１〜４のいずれか一つに記載の排気浄化装置。
【請求項６】
上記バイパス通路に排気ガス中の成分を酸化するための触媒を配置するようにした請求項５に記載の排気浄化装置。
【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】
圧縮着火式の内燃機関から排出される排気ガス中の微粒子を捕集するための排気微粒子処理装置が特開昭６２−９９６１０号公報に開示されている。当該公報に開示されている排気微粒子処理装置は、その微粒子捕集率を向上させるために、直列的に２つのパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと称す）を機関排気通路に具備する。
【０００３】
また、微粒子捕集率を向上させるために、フィルタの排気流通路を画成する隔壁を多孔質の材料から形成すると共に、幾つかの排気流通路の下流端開口を栓によって閉鎖し、且つ、残りの排気流通路の上流端開口を栓によって閉鎖し、フィルタに流入した排気ガスが必ず隔壁を通るようにした所謂、目封じ型のパティキュレートフィルタも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィルタに起因する圧力損失はその容量が大きいほど小さくなる。ところが、上記公報に記載のように、直列的に２つのフィルタを機関排気通路に配置する場合、一般的には、上流側のフィルタを配置するために確保できるスペースには限りがある。したがって、上流側のフィルタの容量は小さくせざるをえず、このため、上流側のフィルタに起因する圧力損失は大きくなってしまう。
【０００５】
特に、上記公報に記載の上流側のフィルタとして目封じ型のフィルタが利用される場合、上流側のフィルタに起因する圧力損失はさらに大きくなってしまう。もちろん、排気流通路の開口が全く閉鎖されていないフィルタを上記公報に記載の上流側のフィルタとして利用すれば、上流側のフィルタに起因する圧力損失は小さくなる。しかしながら、これによれば、上流側のフィルタの微粒子捕集率が大幅に低下してしまう。
【０００６】
そこで本発明の目的は、内燃機関の排気浄化装置の微粒子捕集率を大幅に低下させることなく、排気浄化装置に起因する圧力損失を低減することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路内に排気ガス中の成分を浄化するための第一排気浄化手段を配置すると共に該第一排気浄化手段上流の機関排気通路内に第二排気浄化手段を配置した排気浄化装置において、第二排気浄化手段は通路を画成する隔壁を有し、該隔壁は予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されており、上記隔壁はその端部分において上記通路の端部に向かって流路断面積が徐々に小さくなる錐状のテーパ壁を有し、該テーパ壁は上記通路の端部開口が隔壁の上記細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分を寄せ集めて該端部分同士を部分的に接続することにより形成される。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において、第一排気浄化手段は流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにＮＯXを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチであるときに吸蔵したＮＯXを放出して還元させるＮＯX触媒を具備する。
【０００９】
第３の発明では、第１または第２の発明において、第一排気浄化手段は排気ガス中の微粒子（Particulate Matter）を酸化除去することができるパティキュレートフィルタである。
【００１０】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、第二排気浄化手段は排気マニホルド内に配置されるかまたは排気マニホルドの排気下流側において排気マニホルドに連結されている。すなわち、第二排気浄化手段は内燃機関の排気ポートのすぐ下流に配置される。
【００１１】
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、第一排気浄化手段と第二排気浄化手段との間の機関排気通路から第一排気浄化手段を迂回するバイパス通路を分岐させると共に第一排気浄化手段およびバイパス通路のいずれか一方に排気ガスを流入させるための切替弁を設け、第二排気浄化手段は第二排気浄化手段に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＳＯXを吸蔵し且つ第二排気浄化手段に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると共に第二排気浄化手段の温度がＳＯX放出温度よりも高くなると吸蔵したＳＯXを放出するＳＯX吸蔵剤を具備し、第二排気浄化手段のＳＯX吸蔵剤からＳＯXを放出しないときには第二排気浄化手段から流出した排気ガスが第一排気浄化手段に流入する位置に切替弁を保持すると共に第二排気浄化手段のＳＯX吸蔵剤からＳＯXを放出するときには第二排気浄化手段から流出した排気ガスが上記バイパス通路に流入する位置に切替弁を保持するようにした。これにより第一排気浄化触媒にＳＯXが流入することはほとんどなくなり、これに伴い第一排気浄化触媒にＳＯXが吸蔵されることもほとんどなくなる。
【００１２】
第６の発明では、第５の発明において、バイパス通路に排気ガス中の成分を酸化するための触媒を配置するようにした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の排気浄化装置を説明する。図１は本発明の排気浄化装置を備えた圧縮着火式内燃機関を示す。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用可能である。
【００１４】
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は排気ポートをそれぞれ示す。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内にはステップモータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。
【００１５】
第１実施形態の排気浄化装置は第一排気浄化手段としてメインパティキュレートフィルタ（以下、単にメインフィルタと称す）１８と、第二排気浄化手段としてサブパティキュレートフィルタ（以下、単にサブフィルタと称す）２１とを具備する。サブフィルタ２１は排気マニホルド１７を介して排気ポート１０に接続されるケーシング２２内に配置される。一方、メインフィルタ１８は排気管２０を介してケーシング２２の出口に接続されるケーシング１９内に配置される。サブフィルタ２１は排気マニホルド１７の直下に配置される。
【００１６】
排気マニホルド１７とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ）通路２３を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２３内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２４が配置される。またＥＧＲ通路２３周りにはＥＧＲ通路２３内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２５が配置される。図１に示した内燃機関では冷却装置２５内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水によりＥＧＲガスが冷却される。
【００１７】
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６ａ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が取り付けられ、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。
【００１８】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１により互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。またメインフィルタ１８の上流にはその温度を検出するための温度センサ３９が取り付けられ、サブフィルタ２１の上流にはその温度を検出するための温度センサ４０が取り付けられる。これら温度センサ３９、４０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１９】
アクセルペダル４１にはその踏込量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４２が接続され、負荷センサ４２の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５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４３が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８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１５、ＥＧＲ制御弁２４、および燃料ポンプ２７に接続される。
【００２０】
次に、図２を参照して、メインフィルタ１８について説明する。図２（Ａ）はメインフィルタ１８の端面図であり、図２（Ｂ）はメインフィルタ１８の縦断面図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示したように、メインフィルタ１８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流通路１８ａ、１８ｂを具備する。これら排気流通路はその下流端において栓１８ｃによって閉鎖された排気ガス流入通路１８ａと、その上流端において栓１８ｄによって閉鎖された排気ガス流出通路１８ｂとにより構成される。
【００２１】
これら排気ガス流入通路１８ａおよび排気ガス流出通路１８ｂは薄肉の隔壁を介して交互に配置される。云い換えると、排気ガス流入通路１８ａおよび排気ガス流出通路１８ｂは、各排気ガス流出通路１８ｂが４つの排気ガス流入通路１８ａにより包囲されるように配置される。すなわち、隣接する２つの排気流通路１８ａ、１８ｂのうち一方の排気流通路はその下流端にて栓１８ｃによって閉鎖され、他方の排気流通路はその上流端にて栓１８ｄによって閉鎖されている。
【００２２】
メインフィルタ１８は予め定められた平均径の細孔を内包するコージェライトなどのセラミックスのような多孔質材料から形成されている。したがって、排気ガス流入通路１８ａ内に流入した排気ガスは、図２（Ｂ）において矢印で示したように、周囲の隔壁１８ｅの細孔を通って隣接する排気ガス流出通路１８ｂ内に流入する。
【００２３】
排気ガス中の微粒子は、排気ガスが排気ガス流入通路１８ａおよび排気ガス流出通路１８ｂ内を流れている間に、これら通路を画成する隔壁面上に捕集される。さらに、排気ガス中の微粒子は、排気ガスが隔壁１８ｅの細孔内を流れている間に、これら細孔を画成する壁面上に捕集される。
【００２４】
次に、図３を参照して、サブフィルタ２１について説明する。図３（Ａ）はサブフィルタ２１の端面図であり、図３（Ｂ）はサブフィルタ２１の縦断面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示したように、サブフィルタ２１も、メインフィルタ１８と同様に、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流通路５０、５１を具備する。
【００２５】
しかしながら、これら排気流通路はテーパ壁５２、５３によって部分的に閉鎖されている。すなわち、排気ガス流入通路５０は、当該通路５０を画成する隔壁の下流端隔壁部分を寄せ集めてその一部分同志が接続されることにより形成されるテーパ壁（以下、下流側テーパ壁と称す）５２によりその流路断面積がその他の領域の排気流通路の流路断面積よりも小さくされている。したがって、排気ガス流入通路５０はその下流端にて下流側テーパ壁５２によりその流路断面積よりも小さい開口面積を有する小孔５５を有する。
【００２６】
一方、排気ガス流出通路５１は、当該通路５１を画成する隔壁の上流端隔壁部分を寄せ集めてその一部同志が接続されることにより形成されるテーパ壁（以下、上流側テーパ壁と称す）５３によりその流路断面積がその他の領域の排気流通路の流路断面積よりも小さくされている。したがって、排気ガス流出通路５１はその上流端にて上流側テーパ壁５３によりその流路断面積よりも小さい開口面積を有する小孔５６を有する。
【００２７】
なお、テーパ壁はサブフィルタ２１の外側に向かって徐々に狭くなる形状であれば第１実施形態以外の形状、例えば、円錐状、四角錐状、または六角錘状であってもよい。
【００２８】
小孔５６、５５の大きさは、サブフィルタ２１に単位時間当たりに流入する微粒子の量とサブフィルタ２１の微粒子捕集率とから算出されるサブフィルタ２１から流出する微粒子の量が許容量以下となるように決定される。言い換えれば、目標とする微粒子捕集率に応じて小孔５５、５６の大きさを変えることにより、サブフィルタ２１の微粒子捕集率と、サブフィルタ２１に起因する圧力損失（以下、単に圧損と称す）の値とを容易に変更することができる。
【００２９】
すなわち、小孔の大きさを大きくすれば、サブフィルタ２１の圧損を低い値とすることができるが、サブフィルタ２１の微粒子捕集率が低下する。逆に小孔の大きさを小さくすれば、サブフィルタ２１の微粒子捕集率を高めることができるが、サブフィルタ２１の圧損は高い値となる。したがって、小孔の大きさはサブフィルタ２１の圧損と微粒子捕集率とのバランスのとれた大きさにされる。
【００３０】
サブフィルタ２１では、テーパ壁５２、５３も隔壁５４と同じ材料から形成されているので、排気ガスは、図４（Ａ）に示したように、上流側テーパ壁５３の細孔を通って排気ガス流出通路５１内に流入することができる。また、排気ガスは、図４（Ｂ）に示したように、下流側テーパ壁５２の細孔を通って流出することができる。また、排気ガスは上流側テーパ壁５３の先端に形成された小孔５６を介しても排気ガス流出通路５１内に流入することができる。さらに、排気ガスは、下流側テーパ壁５２の先端の小孔５５を介しても流出することができる。
【００３１】
なお、メインフィルタ１８はサブフィルタ２１と同様にテーパ壁によって排気流通路の端部開口が部分的に閉鎖されている（小孔を有する）タイプであっても、テーパ壁によって排気流通路の端部開口が完全に閉鎖されている（小孔のない）タイプであっても、また、排気流通路の端部開口が全く閉鎖されていないタイプであってもよい。
【００３２】
本発明の排気浄化装置の利点について説明する。サブフィルタ２１として従来ではメインフィルタ１８と同じ構成の目封じ型のフィルタが用いられる。目封じ型のフィルタの構成は、排気流通路が栓によって閉鎖されていることを除けば、本実施形態のサブフィルタ２１の構成とほぼ同様である。しかしながら、目封じ型のフィルタに起因する圧損は本実施形態のサブフィルタ２１に起因する圧損に比べて格段に大きい。
【００３３】
このように圧損が異なる理由としては以下の理由が考えられる。サブフィルタ２１では、上流側テーパ壁５３は、４つの上流側テーパ壁５３により囲まれて形成される排気ガス流入通路５０の上流端が上流へ向かって円錐状に広がる形状となって排気ガス流入通路５０の流路断面積が徐々に大きくなるようにように、排気ガス流出通路５１の流路断面積が徐々に小さくなるように上流へ向かって狭まる形状をしている。
【００３４】
これに対し、図５（Ａ）に示した目封じ型のフィルタでは、排気ガス流出通路の上流端が栓７２により閉塞される。この場合、７３で示したように排気ガスの一部が栓７２に衝突するので、フィルタの圧損が大きくなる。また、栓７２近傍から排気ガス流入通路に流入する排気ガスは７４で示したように入口近傍にて乱流となるので、これによっても排気ガスは排気ガス流入通路内に流入しづらくなる。このため、フィルタの圧損がさらに大きくなる。
【００３５】
一方、サブフィルタ２１では図４（Ａ）に示したように、排気ガスは乱流となることなく排気ガス流入通路５０に流入することができる。このため本発明によれば、排気ガスはサブフィルタ２１に流入しやすい。したがってサブフィルタ２１の圧損は低い。
【００３６】
さらに、目封じ型のフィルタでは、微粒子が栓７２の上流端面およびその近傍の隔壁の表面に多く堆積しやすい。これは排気ガスが栓７２に衝突し、しかも栓７２近傍にて排気ガスが乱流となることに起因する。
【００３７】
一方、サブフィルタ２１では、上流側テーパ壁５３が錐状であるので排気ガスが強く衝突する上流端面が存在せず、しかも、上流端面近傍にて排気ガスは乱流とはならない。したがって、本発明によれば、微粒子がサブフィルタ２１の上流端の領域に多く堆積することはなく、サブフィルタ２１の圧損が高くなることはない。
【００３８】
一方、下流側テーパ壁５２は、４つの下流側テーパ壁５２により囲まれて形成される排気ガス流出通路５１の下流端が下流へ向かって円錐状に広がる形状となって排気ガス流出通路５１の流路断面積が徐々に大きくなるようにように、排気ガス流入通路５０の流路断面積が徐々に小さくなるように下流へ向かって狭まる形状をしている。
【００３９】
これに対し、目封じ型のフィルタでは、図５（Ｂ）に示したように、排気ガス流入通路の下流端が栓７０により閉塞され、排気ガス流出通路はその出口開口まで直線的に延びる。この場合、排気ガス流出通路の出口開口から流出した排気ガスの一部が栓７０の下流端面に沿って流れ、したがって、排気ガス流出通路の出口開口近傍に乱流７１が形成される。このように乱流が形成されると排気ガスは排気ガス流出通路から流出しづらくなる。
【００４０】
一方、サブフィルタ２１では、図４（Ｂ）に示したように、排気ガスは乱流となることなく、排気ガス流出通路５１の端部の出口開口から流出することができる。このため本発明によれば、排気ガスはサブフィルタ２１から比較的流出しやすい。したがってこれによっても、サブフィルタ２１の圧損は低くなる。
【００４１】
もちろん、サブフィルタ２１では、排気ガスが上流側テーパ壁５３の先端に形成された小孔５６を介して排気ガス流出通路５１内に流入することができ、さらに、排気ガスが下流側テーパ壁５２の先端の小孔５５を介して流出することができることからも、サブフィルタ２１の圧損が低くなる。
【００４２】
このため、サブフィルタ２１として目封じ型のフィルタを用いる場合に圧損を小さく維持するためには、容量の大きなフィルタを用いなければならない。しかしながら、サブフィルタ２１を配置するために確保できる容量は比較的小さいので、現実的には、容量の大きな目封じ型のフィルタを用いることはできない。
【００４３】
したがって、メインフィルタ１８上流に配置されるサブフィルタとして、本発明のような構成のフィルタを採用することによって、排気浄化装置全体の微粒子捕集率を大幅に低下させることなく、排気浄化装置全体の圧損を低減することができる。
【００４４】
ところで、メインフィルタ１８は、各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１を画成する隔壁５４の壁面上、並びに、隔壁５４の細孔を画成する壁面上に、全面に亘って、例えばアルミナからなる担体層が形成される。そして、この担体層上に、貴金属触媒と活性酸素生成剤とが担持されている。また、サブフィルタ２１もメインフィルタ１８と同様に、貴金属触媒と、活性酸素生成剤とを担持している。以下では、メインフィルタ１８に関してのみ説明するが、サブフィルタ２１に関しても同様である。
【００４５】
貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）が用いられ、活性酸素生成剤としては、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金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）のような希土類、鉄（Ｆｅ）のような遷移金属、およびスズ（Ｓｎ）のような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００４６】
メインフィルタ１８では、活性酸素生成剤によって生成される活性酸素によって微粒子を酸化除去することができる。次に、図６を参照して、メインフィルタ１８の微粒子除去作用について貴金属触媒として白金（Ｐｔ）を利用し、活性酸素生成剤としてカリウム（Ｋ）を利用した場合を例にとって説明するが、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微粒子酸化除去作用が行われる。
【００４７】
図６（Ａ）〜（Ｃ）はメインフィルタ１８の隔壁の表面上および隔壁の細孔表面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。図６（Ａ）〜（Ｃ）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）等の活性酸素生成剤を含む担体層を示している。
【００４８】
圧縮着火式の内燃機関では、通常、過剰空気のもとで燃焼が行われるので、排気ガス中には過剰な酸素が含まれている。すなわち、吸気通路および燃焼室５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、メインフィルタ１８に流入する排気ガスの空燃比はリーンである。一方、燃焼室５では、ＮＯX、特にＮＯおよびＮＯ2が発生するので、排気ガス中にはＮＯおよびＮＯ2が含まれている。また、燃料中には硫黄成分Ｓが含まれており、ＳＯX、特にＳＯ2が発生するので、排気ガス中にはＳＯXが含まれている。このように、メインフィルタ１８には過剰酸素、ＮＯXおよびＳＯXを含んだ排気ガスが流入する。
【００４９】
排気ガスがメインフィルタ１８に流入すると、図６（Ａ）に示したように、排気ガス中の酸素はＯ2-またはＯ2-の形で白金の表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金の表面上でＯ2-またはＯ2-と反応し、ＮＯ2となる（２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2）。次いで、斯くして生成されたＮＯ2および排気ガス中のＮＯ2の一部は白金上で酸化されつつ活性酸素生成剤６１内に吸収され、Ｋと結合しながら、図６（Ａ）に示したように、硝酸イオン（ＮＯ3-）の形で活性酸素生成剤６１内に拡散し、硝酸塩（ＫＮＯ3）を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸イオンの形で活性酸素生成剤６１に吸収される。
【００５０】
一方、排気ガス中のＳＯXもＮＯXと同様なメカニズムにより活性酸素生成剤６１内に吸収される。すなわち、排気ガス中のＳＯ2は白金の表面でＯ2-またはＯ2-と反応してＳＯ3となる。次いで、斯くして生成されたＳＯ3の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつ活性酸素生成剤６１内に吸収され、Ｋと結合しながら、硫酸イオン（ＳＯ42-）の形で活性酸素生成剤６１内に拡散し、硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4）を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硫酸イオンの形で活性酸素生成剤６１に吸収される。
【００５１】
ところで、燃焼室５内では主にカーボン（Ｃ）からなる微粒子が生成され、したがって、排気ガス中にはこれら微粒子も含まれる。排気ガス中の微粒子は排気ガスがメインフィルタ１８の排気ガス流入通路１８ａ内を流れているとき、或いは隔壁１８ｅを通過するとき、或いは、排気ガス流出通路１８ｂ内を流れているときに、図６（Ｂ）に示したように、担体層の表面、すなわち、活性酸素生成剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００５２】
活性酸素生成剤上に微粒子が付着すると、活性酸素生成剤の表面とその内部との間に酸素濃度差が生じる。活性酸素生成剤内には硝酸イオンの形で酸素が吸蔵されており、この吸蔵されている酸素が微粒子と活性酸素生成剤との接触面に向かって移動しようとする。その結果、図６（Ｂ）に示したように、活性酸素生成剤６１内に形成されている硝酸塩（ＫＮＯ3）がＫとＯとＮＯとに分解され、Ｏが活性酸素生成剤６１の表面に向かい、その一方でＮＯが活性酸素生成剤６１から外部へ放出される。このように外部へ放出されたＮＯは上述したメカニズムで下流側の白金上において酸化され、再び活性酸素生成剤６１内に硝酸イオンの形で吸収される。
【００５３】
なお、活性酸素生成剤に微粒子が付着すると、硫酸イオンの形で活性酸素生成剤６１に吸蔵されている酸素も活性酸素生成剤６１の表面に向けて移動しようとする。このとき、硝酸塩（ＫＮＯ3）の場合と同様に、活性酸素生成剤６１内の硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4）がＫとＯとＳＯ2とに分解される。分解されたＯは活性酸素生成剤６１の表面に向かい、その一方でＳＯ2が活性酸素生成剤６１から外部へと放出される。このように外部へ放出されたＳＯXは上述したメカニズムで下流側の白金上において酸化され、再び活性酸素生成剤６１内に硫酸イオンの形で吸収される。
【００５４】
このように微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かうＯは硝酸塩（ＫＮＯ3）や硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4）のような化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。したがって、これら活性酸素が微粒子６２に接触すると、微粒子６２は短時間（数秒〜数十分）のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子６２は完全に消滅する。したがって、微粒子６２がメインフィルタ１８上に堆積することはほとんどない。
【００５５】
メインフィルタ１８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなると、活性酸素生成剤周囲の酸素濃度が一気に低下するので、このときにも上述した理由で、活性酸素生成剤から活性酸素が放出される。ここで、メインフィルタ１８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチであるときに単位時間当たりに活性酸素生成剤によって生成される活性酸素の量は、メインフィルタ１８に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに単位時間当たりに活性酸素生成剤によって生成される活性酸素の量よりも多い。
【００５６】
したがって、メインフィルタ１８に微粒子が所定量を超えて堆積してしまったときに、メインフィルタ１８に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチとすれば、メインフィルタ１８に堆積している微粒子を一気に酸化除去することができる。
【００５７】
ところで、従来のように、メインフィルタ１８上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときには、メインフィルタ１８が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、したがってこのような火炎を伴う燃焼を持続させるためには、メインフィルタ１８の温度を高温に維持しなければならない。
【００５８】
これに対して本発明では、微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このとき、メインフィルタ１８の表面が赤熱することもない。すなわち本発明では、従来に比べて、かなり低い温度でもって微粒子６２が酸化除去せしめられている。したがって、本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子酸化除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子酸化除去作用と全く異なっている。
【００５９】
ところで、上述したように、活性酸素生成剤は、周囲の雰囲気がリーン雰囲気であるときには酸素を硝酸イオンの形で吸蔵し、周囲の雰囲気がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となると硝酸イオンの形で吸蔵している酸素を放出する。見方を換えれば、活性酸素生成剤は、周囲の雰囲気がリーン雰囲気であるときにはＮＯXを硝酸イオンの形で吸蔵し、周囲の雰囲気がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比になると硝酸イオンの形で吸蔵しているＮＯXを放出するＮＯX吸蔵剤としても機能する。
【００６０】
この活性酸素生成剤が吸蔵しうるＮＯXの量には限界があり、このＮＯX吸蔵量が限界値に達すると、メインフィルタ１８に流入したＮＯXがメインフィルタ１８に吸蔵されることなく、その下流へと流出してしまう。そこで、ＮＯX吸蔵量がその限界値に達する前に、活性酸素生成剤に吸蔵されているＮＯXを還元浄化する必要がある。
【００６１】
そこで、本実施形態では、ＮＯX吸蔵量がその限界値に達する前に、メインフィルタ１８に理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給することによって、メインフィルタ１８内に吸蔵されているＮＯXを還元浄化する。すなわち、メインフィルタ１８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなると、図６（Ｃ）に示したように活性酸素生成剤からＮＯXが放出され、排気ガス中のＨＣおよびＣＯによって還元浄化される。このように、メインフィルタ１８はＮＯX吸蔵剤と貴金属触媒とからなるＮＯX触媒を担持していることにもなる。
【００６２】
なお、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合には、排気ガス中の酸素濃度が低いので、メインフィルタ１８において酸化除去されるＣＯおよびＨＣの量は少ないが、排気ガスの空燃比がリーン空燃比または理論空燃比である場合には、メインフィルタ１８において酸化除去されるＣＯおよびＨＣの量は多い。
【００６３】
以上、説明したように、メインフィルタ１８およびサブフィルタ２１は、流入する排気ガスの特性に依存して、微粒子、ＮＯX、ＣＯ、およびＨＣを浄化することができる。ここで、白金および活性酸素生成剤はその温度が高くなるほど活性化する。したがって、フィルタにおける微粒子、ＮＯX、ＣＯ、およびＨＣの浄化率は、そこに流入する排気ガスの温度に依存し、排気ガスの温度が高いほど高くなる。
【００６４】
ここで、サブフィルタ２１は排気マニホルド１７の直下に配置される。したがって、機関始動時においても、サブフィルタ２１には比較的高温の排気ガスが流入するので、サブフィルタ２１の温度は迅速に上昇せしめられる。また、内燃機関において継続的に低負荷運転が行われ、内燃機関から排出される排気ガスの温度が低くなった場合においても、サブフィルタ２１に流入する排気ガスの温度は十分高いので、サブフィルタ２１の温度は比較的高温に維持される。
【００６５】
このように、本実施形態によれば、機関始動時、および、低負荷運転時においても、サブフィルタ２１の温度は比較的高温に維持されるので、サブフィルタ２１による微粒子、ＮＯX、ＣＯ、およびＨＣの浄化率は高い。
【００６６】
ところで、サブフィルタ２１にも微粒子酸化除去能力があるので、メインフィルタ１８に流入する微粒子の量は全体として少なくなる。したがって、メインフィルタ１８によって排気ガス中の全ての微粒子を確実に酸化除去することができる。或いは、メインフィルタ１８で酸化除去すべき微粒子の量が少なくなっているので、メインフィルタ１８を小型化してもよい。
【００６７】
また、上述した活性酸素生成剤はＮＯXおよびＳＯXを吸蔵によって保持するものであるが、例えば、その表面にＮＯXおよびＳＯXを吸着または付着によって保持するものでもよい。したがって、活性酸素生成剤としては、活性酸素、ＮＯ2、またはＳＯ3をその内部から放出するものだけでなく、その表面から解放するものでもよい。
【００６８】
なお、第１実施形態では、サブフィルタ２１は排気マニホルド１７の直下に配置されているが、サブフィルタ２１は内燃機関の排気ポート１０の近くに配置されていればよいので、例えば、図７に示したように、排気マニホルド１７の枝管内に配置されてもよい。
【００６９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。初めに、図９を参照する。図９（Ａ）は、活性酸素生成剤周囲の雰囲気（以下、単に周囲雰囲気と称す）がほぼ理論空燃比またはリッチであるときにおける活性酸素生成剤の温度（以下、単に生成剤温度と称す）Ｔと、活性酸素生成剤からのＮＯX放出率ｆ（Ｔ）およびＳＯX放出率ｇ（Ｔ）との関係を示している。また、図９（Ｂ）は、生成剤温度Ｔが図９（Ａ）に示されている温度（以下、ＳＯX放出温度と称す）Ｔｏ以下であるときに、周囲雰囲気がほぼ理論空燃比またはリッチとされている時間と、活性酸素生成剤からの累積ＮＯX放出量および累積ＳＯX放出量を示している。
【００７０】
上述したように、一般的には、活性酸素生成剤に吸蔵されているＳＯXは、その周囲の雰囲気がほぼ理論空燃比またはリッチとなれば、活性酸素生成剤から放出される。ところが、図９（Ａ）に示されているように、生成剤温度ＴがＳＯX放出温度Ｔｏ以下である場合において、周囲雰囲気がほぼ理論空燃比またはリッチになると、ＮＯXは活性酸素生成剤から放出されるが、ＳＯXは活性酸素生成剤からほとんど放出されない。したがって、図９（Ｂ）に示されているように、たとえ長時間、周囲雰囲気がほぼ理論空燃比またはリッチとされていたとしても、活性酸素生成剤から放出されるＳＯXの量は極めて少ない。
【００７１】
ここで、内燃機関が通常運転を行っている場合、メインフィルタ１８の温度はＳＯX放出温度Ｔｏ以下であることが多い。このため、一時的にメインフィルタ１８に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチとされたとしても、メインフィルタ１８の活性酸素生成剤からＳＯXは放出されず、したがって、活性酸素生成剤に吸蔵されているＳＯXの量は徐々に増大する。この場合、活性酸素生成剤が吸蔵しうるＮＯX量が低下することになる。
【００７２】
そこで、本実施形態では、メインフィルタ１８にＳＯXが流入しないようにサブフィルタ２１によってＳＯXを捕捉するようにする。これによれば、メインフィルタ１８に流入するＳＯXの量が極めて少なくなる。
【００７３】
なお、第２実施形態では、図８に示したように、サブフィルタ２１とメインフィルタ１８との間の排気管４５からメインフィルタ１８をバイパスするバイパス通路４６が分岐せしめられる。すなわち、バイパス通路４６はメインフィルタ１８と平行に配置されると共にバイパス通路４６の上流端においてメインフィルタ１８よりも上流の排気管４５に連結され且つ下流端においてメインフィルタ１８よりも下流の排気管４５と連結される。
【００７４】
さらに、メインフィルタ１８およびバイパス通路４６のいずれか一方を排気ガスが流入することのないように閉鎖し、メインフィルタ１８およびバイパス通路４６の他方に排気ガスを流入させるための切替弁４７が、メインフィルタ１８よりも上流の排気管４５とバイパス通路４６との連結地点に設けられる。
【００７５】
ところで、サブフィルタ２１の活性酸素生成剤が吸蔵しうるＳＯXの量にも限界があるので、ＳＯX吸蔵量が飽和する前に、サブフィルタ２１の活性酸素生成剤からＳＯXを放出させる必要がある。そこで、本実施形態では、サブフィルタ２１からＳＯXを放出させるべきときには、サブフィルタ２１の温度Ｔを上記ＳＯX放出温度Ｔｏ以上にまで上昇させると共にサブフィルタ２１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするか、またはサブフィルタ２１に流入する排気ガスの温度をＳＯXの放出を促す温度以上にまで上昇させると共に排気ガスの空燃比をリッチにする。
【００７６】
これによれば、サブフィルタ２１からＳＯXが放出される。すなわち、サブフィルタ２１の活性酸素生成剤は、排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯXを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチとされ且つサブフィルタ２１の温度ＴがＳＯX放出温度Ｔｏを越えると吸蔵したＳＯXを放出する。すなわちサブフィルタ２１は流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＳＯxを吸蔵し且つ流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵したＳＯxを放出するＳＯx吸蔵剤として作用する。また、サブフィルタ２１は機関本体に比較的近い場所に配置されているので、サブフィルタ２１の温度は比較的容易に上昇せしめられる。
【００７７】
また、サブフィルタ２１から放出されたＳＯXがメインフィルタ１８に流入しないように、サブフィルタ２１からＳＯXを放出すべきときには、サブフィルタ２１から流出した排気ガスをバイパス通路４６内に導くようにする。すなわち、本実施形態では、排気ガスの空燃比がリーンのときには、切換弁４７は図８において実線で示すバイパス閉位置とされているが、サブフィルタ２１からＳＯXを放出すべきときには、排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられると共に、切換弁４７は図８において破線で示したバイパス開位置とされる。
【００７８】
なお、上述したようにサブフィルタ２１もＮＯXを吸蔵しているので、サブフィルタ２１からＳＯXを放出するために排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとされたときには、ＮＯXもサブフィルタ２１から放出され、斯くして放出されたＮＯXは排気ガス中のＨＣやＣＯによって還元浄化される。したがって、排気ガスがメインフィルタ１８をバイパスしたとしても、多量のＮＯX、ＨＣ、および、ＣＯが大気中に放出されることはない。
【００７９】
なお、サブフィルタ２１からのＳＯXの放出を停止すべきときには、排気ガスの空燃比がリッチからリーンに切換えられ、同時に切換弁４７が図８において実線で示すバイパス閉位置に切換えられる。
【００８０】
また、吸蔵したＳＯXが硫酸イオン（ＳＯ42-）の形のままで活性酸素生成剤内に存在するようにするか、或いは、硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4）が生成されたとしても硫酸塩（Ｋ2ＳＯ4）が安定しない状態で活性酸素生成剤内に存在するようにすれば、サブフィルタ２１の活性酸素生成剤からＳＯXが放出されやすくなる。そこで、本実施形態では、活性酸素生成剤として、アルミナからなる担体層上に銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）のような遷移金属、ナトリウム（Ｎａ）、チタン（Ｔｉ）およびリチウム（Ｌｉ）から選ばれた少なくとも一つを担持した活性酸素生成剤が用いられる。
【００８１】
また、メインフィルタ１８からＮＯXを放出すべきときにも、排気ガスの空燃比がリーンから理論空燃比またはリッチに切換えられるが、このときに排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとされている期間は短い。したがって、サブフィルタ２１の温度Ｔは上記ＳＯX放出温度Ｔｏ以上には上昇しない。このため、このとき、サブフィルタ２１からはＳＯXは放出されず、ＳＯXがメインフィルタ１８に流入することはない。もちろん、メインフィルタ１８では、その温度がＳＯX放出温度Ｔｏ以下であっても、排気ガスの空燃比がリッチであれば、メインフィルタ１８に吸蔵されていたＮＯXが放出されて、還元浄化される。
【００８２】
次に、第３実施形態について説明する。上述したように、サブフィルタ２１からＳＯXを放出させるために、排気ガスの空燃比がリッチとされると、サブフィルタ２１から流出する排気ガス中には未燃ＨＣやＣＯが含まれている。サブフィルタ２１からＳＯXを放出させている間、サブフィルタ２１から流出した排気ガスはバイパス通路４６に流入する。このように、バイパス通路４６に流入した未燃ＨＣやＣＯも浄化すべきである。そこで、第３実施形態では、第２実施形態の排気浄化装置において、バイパス通路４６内に三元触媒が配置される。
【００８３】
なお、三元触媒は、排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリーンであるときに、未燃ＨＣやＣＯを除去する。したがって、バイパス通路４６に三元触媒を配置した場合、サブフィルタ２１におけるＳＯXの吸蔵は排気ガスの空燃比がリーンのときに行われ、サブフィルタ２１に吸蔵されたＳＯXの放出は主に排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比のときに行われる。
【００８４】
また、バイパス通路４６内に配置する触媒としては、排気ガス中の成分、例えば未燃ＨＣやＣＯを酸化する酸化能を有すればよいので、単なる酸化触媒でもよい。
【００８５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、排気抵抗が小さく且つ乱流が起こりにくいことから、第一排気浄化手段の上流に第二排気浄化手段を配置した場合であっても、排気浄化装置全体の圧損が低く抑えられている。すなわち、排気浄化装置の微粒子捕集率を大幅に低下させることなく、排気浄化装置に起因する圧損が低減される。
【００８６】
また、第４の発明によれば、第二排気浄化手段は内燃機関の排気ポートのすぐ下流に配置されているので、第二排気浄化手段には比較的高温のままの排気ガスが流入する。したがって、例えば、機関始動時であっても第二排気浄化手段は迅速に昇温せしめられ、また、内燃機関が低負荷運転を行っているときであっても、第二排気浄化手段の温度が低下してしまうことが防止される。
【００８７】
第５の発明によれば、第一排気浄化手段にＳＯXが吸蔵されることがほとんどなくなるので、第一排気浄化手段のＮＯX吸蔵能力がほぼ一定のまま維持される。
【００８８】
第６の発明によれば、バイパス通路に流入する排気ガス中のＨＣおよびＣＯが酸化除去される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関全体の図である。
【図２】本発明のメインフィルタを示す図である。
【図３】本発明のサブフィルタを示す図である。
【図４】本発明のサブフィルタの一部を拡大して示す図である。
【図５】従来の目封じ型のフィルタの一部を拡大して示す図である。
【図６】ＮＯX吸蔵・放出作用および微粒子酸化除去作用を説明するための図である。
【図７】第１実施形態の変形例にかかる排気浄化装置を備えた内燃機関全体の図である。
【図８】第２実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関全体の図である。
【図９】（Ａ）はＮＯX放出率およびＳＯX放出率を示す線図であり、（Ｂ）はＮＯXおよびＳＯXの累積放出量を示す線図である。
【符号の説明】
１７…排気マニホルド
１８…メインフィルタ
１９…ケーシング
２０…排気管
２１…サブフィルタ
２２…ケーシング
５０…排気ガス流入通路
５１…排気ガス流出通路
５２…下流側テーパ壁
５３…上流側テーパ壁
５４…隔壁
５５、５６…小孔
【図１】
0003826276.tif 000002
【図２】
0003826276.tif 000003
【図３】
0003826276.tif 000004
【図４】
0003826276.tif 000005
【図５】
0003826276.tif 000006
【図６】
0003826276.tif 000007
【図７】
0003826276.tif 000008
【図８】
0003826276.tif 000009
【図９】
0003826276.tif 000010