JP3546950B2

JP3546950B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3546950B2
Application number: JP2000131653A
Authority: JP
Inventors: 信也広田; 俊明田中; 和浩伊藤; 孝充浅沼; 好一郎中谷; 光壱木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001317338A

Description

【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係り、特に浄化装置のフィルタに排気上流側と下流側とから交互に排気を切換通過できるようにした排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は６００゜Ｃ程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、６００゜Ｃよりもかなり低い。従って排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるのは困難であり、排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるためには微粒子が低い温度で着火できるようにしなければならない。
【０００３】
ところで、従来よりパティキュレートフィルタ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下できることが知られており、従って従来より微粒子の着火温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレートフィルタが公知である。
【０００４】
例えば、特公平７−１０６２９０号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたパティキュレートフィルタが開示されている。このパティキュレートフィルタではほぼ３５０゜Ｃから４００゜Ｃの比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関では負荷が高くなれば排気ガス温が３５０゜Ｃから４００゜Ｃに達し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火燃焼せしめることができるように見える。しかしながら実際には排気ガス温が３５０゜Ｃから４００゜Ｃに達しても微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
【０００６】
即ち、排気ガス中に含まれる微粒子量が少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が３５０゜Ｃから４００゜Ｃになるとパティキュレートフィルタ上の微粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００７】
しかしながら、排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子は燃焼せしめられるが、酸素と接触しずらい残りの微粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることになる。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなると、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けることになる。
【０００８】
一方、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積すると、これら堆積した微粒子は次第に着火燃焼しずらくなる。このように燃焼しずらくなるのはおそらく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しずらいグラファイト等に変化するからであると考えられる。事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると３５０゜Ｃから４００゜Ｃの低温では堆積した微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるためには６００゜Ｃ以上の高温が必要となる。しかしながらディーゼル機関では通常、排気ガス温が６００゜Ｃ以上の高温になることがなく、従ってパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によって堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
【０００９】
また、堆積した微粒子が燃焼せしめられると燃えカスである灰分、即ちアッシュが凝縮して大きな塊となり、これらアッシュの塊によってパティキュレートフィルタの細孔が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという間題が生ずる。
【００１０】
このように多量の微粒子が一旦積層状に堆積してしまうと上述のような問題が生じるので、排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考慮し、多量の微粒子が積層上に堆積する事態を招かないように処置を講じる必要がある。
【００１１】
しかしながら、触媒付の排気浄化フィルタを排気管に設けるだけで、排気浄化を内燃機関の運転状況にまかせた成り行きの連続燃焼処理とすると、上記のような問題は回避できない。
【００１２】
そこで、できる限り微粒子の連続燃焼が可能となるように、浄化装置のフィルタに排気上流側と下流側とから交互に排気を切換通過できるようにすると、フィルタの両側面に微粒子が堆積するため、微粒子の単位面積あたりの堆積量を減らすことができる。また、排気ガス流の切換により堆積する微粒子を撹乱して飛ばすことで微粒子の酸化を促進させることができる。
この場合、フィルタ基材にＮＯｘ吸収剤を設けるならば、排気ガス中に酸素が多い状況となったときに、排気ガス中のＮＯｘを吸収し、還元剤を供給することでこれを放出・還元して浄化することもできる。
【００１３】
このように、微粒子の除去とＮＯｘの浄化を同時に行うためにフィルタ基材にＮＯｘ吸収剤を設けた排気浄化フィルタでは、フィルタでの微粒子の酸化性能を低下させる可能性があるとき（例えば車両の減速運転時あるいは燃料噴射量が小の時）には、フィルタに設定量以上の微粒子が堆積するのを防止するために、フィルタを迂回させて排気ガスを流すシステムを採用することが考えられ、この時、フィルタ近傍にＮＯｘ還元剤を供給する還元剤供給装置を設置することが考えられる。
【００１４】
また、減速運転時あるいは燃料噴射量が小の時のみＮＯｘ還元制御を行うものとすると、継続的な高速走行時においてＮＯｘ還元の必要が生じた時、ＮＯｘ還元制御ができないといった問題が生じる。そこで、運転状況に応じてＮＯｘ還元制御ができるシステムが求められる。
【００１５】
更に、ＮＯｘ還元の際にＮＯｘ還元剤として燃料（炭化水素ＨＣ）を供給する装置とした場合、還元剤の供給時には多量の燃料がフィルタに吸着する。そして、ＮＯｘの放出、還元終了後に直ちにフィルタに排気ガスを流すと、酸化されていないＨＣが多量に外部に放出されることになり好ましくない。
【００１６】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、ＮＯｘの還元と微粒子の酸化を運転状況に応じてより効果的に行うことができ、ＮＯｘ還元終了後において燃料等の還元剤が酸化されずに放出されることを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
すなわち、本出願に係る発明は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、排気ガス中の微粒子の酸化を促進する活性酸素放出剤とが担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕獲可能なフィルタと、前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと前記フィルタの他方側から排気ガスを流す第２の流れとを交互に切換え可能であり、切換え途中では排気ガスが前記フィルタを迂回するバイパス通路に流す排気切換手段と、この排気切換手段により排気の流れを交互に切り換えられる排気通路の分岐点と前記フィルタ上流の排気通路との間に設けられた還元剤供給手段と、前記内燃機関が搭載された車両の減速時、または燃料噴射量が小であるため前記フィルタの微粒子酸化除去量が小さくなると予想されるときは、前記排気ガスの一部のみを、前記還元剤を供給する側の排気通路を介して前記フィルタへ導き、その他の排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を制御すると共に、前記フィルタを還元雰囲気にすべく前記還元剤を供給するように前記還元剤供給手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
排気切換手段は、前記フィルタにおける排気ガスの流れ方向を正逆方向に切り替え可能な排気切換弁で構成することができる。なお、フィルタの還元雰囲気とは、排気切換弁に中間位置より若干傾きを与えて排気ガスをバイパス通路に流す状態とし、排気切換弁の傾きにより排気浄化装置内にわすかな排気ガスの流れを生じさせる。すると、スペース・ベロシティ（単位時間にフィルタの体積の何倍のガスが流れるかを示す指標、以下ＳＶという）が低下した状態となり、この低ＳＶ状態で還元剤をフィルタに供給すれば、わずかな還元剤量でＮＯｘを放出できる。
【００２０】
このように、低ＳＶ状態を狙って還元剤供給処理をするので、効果的にフィルタに吸収されたＮＯｘを放出させることができる。
【００２１】
尚、本出願に係る発明においては、内燃機関が搭載された車両の減速時、または燃料噴射量が小であるときは排気ガス温度が低くフィルタを冷却するため、前記フィルタの微粒子酸化除去量が小さくなると予想され、このとき制御手段による制御が行われる。
【００２２】
更に、本出願に係る発明の制御手段は、前記車両の減速時、あるいは燃料噴射量が設定値以下の状態が所定時間以上にわたり生じないときには、強制的に前記排気ガスの一部のみを前記フィルタに導き、その他の排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を制御すると共に、前記フィルタの還元雰囲気にすべく前記還元剤を供給するように前記還元剤供給手段を制御するように構成してもよい。
【００２３】
この構成によれば、高速走行時のように長時間排気ガスの流量をバイパス通路に流すことがない場合であっても、強制的にＮＯｘ放出処理を実行することができる。なお、このようなＮＯｘ放出処理を実行するタイミングは、例えば吸収されているＮＯｘが許容値を超えた場合に強制的に実行されるようにする。
【００２４】
ＮＯｘ許容値の判定方法としては、例えば、内燃機関の運転履歴（希薄燃焼運転の実行時間とストイキ運転時間との偏差）に基づいてＮＯｘ吸収剤に吸蔵されているＮＯｘ量を推定し、その推定値とＮＯｘ吸収剤が吸蔵することができる最大のＮＯｘ量とを比較することにより判定する方法、あるいはフィルタに流入する排気の空燃比が所定の空燃比であるときのＮＯｘセンサの出力信号値に基づいて判定する方法等を例示することができる。
【００２５】
更に、本出願に係る発明の制御手段は、前記還元剤の供給終了後所定時間にわたり、前記排気ガスの一部のみを前記フィルタに導き、その他の排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を維持させる制御を実行するように構成する。
【００２６】
供給される還元剤には反応性の低い燃料成分を含むことが多いので、還元剤供給終了後はフィルタに多くのＨＣが残存している。この状態で、還元剤供給終了後、直ちに排気切換手段を作動させて排気ガスの流れを切り換えると、ＨＣが外部に放出される危険がある。そこで、ＨＣの放出を抑制するため、還元剤供給終了後も所定期間にわたり排気切換手段を還元剤の供給時の位置に保持し、酸素を含んだリーンの排気ガスをフィルタに取り込んでＨＣの酸化を促進させるようにする。但し、急加速等が入って、微粒子を多量に含む排気ガスが発生する場合は、微粒子放出を阻止するために排気切換手段の保持状態を解除し、排気ガスをフィルタに流入させて微粒子を捕獲するようにしてもよい。
【００２７】
また、本出願に係る発明は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、排気ガス中の微粒子の酸化を促進する活性酸素放出剤とが担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕獲可能な複数のフィルタと、前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと前記フィルタの他方側から排気ガスを流す第２の流れとを交互に切換え可能であり、切換え途中では排気ガスが前記フィルタを迂回するバイパス通路に流す排気切換手段と、前記複数のフィルタ間に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記フィルタの微粒子酸化除去量が小さくなると予想されるときは、前記排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を制御すると共に、前記フィルタを還元雰囲気にすべく前記還元剤を供給するように前記還元剤供給手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
排気浄化装置に、例えばフィルタを直列で２個装着し、還元剤の供給を２個のフィルタの間に設けた還元剤供給装置により行うと、フィルタ間に還元雰囲気が形成され、これがフィルタに及んでいく。従って、フィルタを還元雰囲気にするため、一部の排気ガスをフィルタに流入させるように排気切換弁を傾ける必要はなく、排気切換弁を完全に中立位置に制御すればよので排気切換弁の制御が容易となる。
【００２９】
【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実施の形態を図１から図１０の図面を参照して説明する。
＜装置構成の概要＞
図１は本発明を車両用の圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【００３０】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口はパティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３を有する排気浄化装置に連結される。
【００３１】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介してお互いに連結され、ＥＧＲ通路２４には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。
図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２６内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００３２】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピューターからなり、双方向性バス３１によって互いに接続された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２９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、パティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取付けられ、この温度センサ３９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。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、負荷センサ４１の出力電圧は対応する変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート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４２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１６、ＥＧＲ制御弁２５、燃料ポンプ２８、および後述するアクチュエータ７２に接続される。
【００３３】
図２（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌと、機関回転数Ｎとの関係を示している。なお、図２（Ａ）において各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順に次第に要求トルクが高くなる。図２（Ａ）に示される要求トルクＴＱは図２（Ｂ）に示されるようにアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。本発明による実施例では図２（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出され、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【００３４】
＜排気浄化装置の構造＞
排気浄化装置は、図１、図３、図４に示したように、排気タービン２１の出口に排気管７０が接続されている。この排気管７０から分岐して、パティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３における該フィルタ２２の一方の面と他方の面とにそれぞれ接続する第１の排気通路７６と第２の排気通路７７とが設けられている。さらに、第１の排気通路７６と第２の排気通路７７の分岐点からパティキュレートフィルタ２２を通過せずにそのまま排気ガスを排出するバイパス通路７３とが設けられている。
【００３５】
そして、第１の排気通路７６と第２の排気通路７７の分岐点には、排気切換弁７１が設けられている。排気切換弁７１は、アクチュエータ７２によって駆動され、第１の排気通路７６を選択してフィルタ２２の一方側から排気ガスを流す第１の流れ（順流）と、第２の排気通路７７を選択してフィルタ２２の他方側から排気ガスを流す第２の流れ（逆流）とを、交互に切換える。
さらに、前記第１の排気通路７６には、フィルタ２２に流入する排気ガス中に、燃料を噴射する還元剤供給手段としての燃料添加ノズル８０が設けられている。この燃料添加ノズル８０は、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３４上に実現される制御手段７５により制御されるようになっている。
【００３６】
ここで、フィルタ２２を収容するケーシング２３は、バイパス通路７３を形成する排気管７０の真上に位置するよう配置され、そのケーシング２３の両側に排気管７０から分岐した第１の排気通路７６と第２の排気通路７７が接続される形となっている。そして、ケーシング２３内のフィルタ２２は、排気ガスの通過方向を長さ方向とした場合、長さ方向に直交する幅方向の長さが、長さ方向の長さより長くなっている。このような構成とすることで、フィルタ２２を内包するケーシング２３からなる排気浄化装置の車両への搭載スペースを省スペース化することができる。
【００３７】
アクチュエータ７２は、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３４上に実現される制御手段７５によって駆動制御されるもので、出力ポート３６からの制御信号により駆動される。また、アクチュエータ７２は、内燃機関の駆動に伴って形成される負圧により駆動されるもので、負圧が加えられないときに第１の排気通路７６を選択する位置（順流位置）に弁体を制御し、第１の負圧が加えられたとき弁体を中立位置に制御し、第１の負圧よりも強い第２の負圧が加えられたとき第２の排気通路７７を選択する位置（逆流位置）に弁体を制御する。さらに負圧の制御により、弁体を図３の二点鎖線で示すような傾斜した状態（中間傾斜位置）に保持することもでき、これにより排気ガスの一部をバイパス通路７３にバイパスするとともに、他の一部をフィルタ２２に流すことができる。すなわち、制御手段７５により制御されるアクチュエータ７２によって駆動される排気切換弁７１は、本発明でいう排気切換手段である。
【００３８】
前記弁体が図３の破線で示す順流位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を第１の排気通路７６に接続するとともに、第２の排気通路７７をバイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０→第１の排気通路７６→フィルタ２２→第２の排気通路７７→バイパス通路７３の順に流れて、大気に放出される。
【００３９】
弁体が、図３の実線で示す逆流位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を第２の排気通路７７に接続するとともに、第１の排気通路７６をバイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０→第２の排気通路７７→フィルタ２２→第１の排気通路７６→バイパス通路７３の順に流れて、大気に放出される。
【００４０】
弁体が、図３の一点鎖線で示すように、排気管７０の軸線に平行となった中立位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を直接バイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０からフィルタ２２を通過しないでバイパス通路７３に流れて、大気に放出される。
【００４１】
弁体が、図３の二点鎖線で示すように、排気管７０の軸線に平行となった中間傾斜位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０をバイパス通路７３に接続するので、その限りにおいて、排気ガスの一部は、排気管７０からフィルタ２２を通過しないでバイパス通路７３に流れて、大気に放出される。一方、弁体の傾斜により排気ガスの他の一部は第１の排気通路７６を通ってフィルタ２２を順流方向から通過し、バイパス通路７３へと導入される。
【００４２】
この状態では、第１の排気通路７６を流れる排気ガスの量が減り、ＳＶ値が低下した状態となる。この状態で燃料をフィルタに供給すると、活発な酸化反応が生じ、フィルタ温度が上昇して、微粒子の酸化を促進できる。
【００４３】
弁体の切換えにより、順流・逆流を繰り返すことで、煤などの微粒子がフィルタ２２の基材内を動き回るので、微粒子の酸化を促進し、よって、微粒子の浄化を効率よく行うことができる。
【００４４】
図５（Ａ）は、フィルタ２２に一方向からのみ排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの一方の面にのみ蓄積して動かず、排気ガスの圧損上昇の原因となるだけでなく、微粒子の浄化を妨げる。
【００４５】
図５（Ｂ）は、フィルタ２２に双方向から排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの両面で順流方向と逆流方向に撹乱されるので、フィルタ２２の両面で、あるいは、基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点を利用して微粒子の酸化を促進することができ、フィルタ２２に微粒子が蓄積するのをより少なくすることができる。よって、排気ガスの圧損上昇を避けることができる。
【００４６】
＜フィルタの構造＞
図６にパティキュレートフィルタ２２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２２の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図６（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２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ガス流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気ガス流出通路５１とにより構成される。なお、図６（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、排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４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５０および排気ガス流出通路５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００４７】
パティキュレートフィルタ２２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、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図６（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ガス流出通路５１内に流出する。
【００４８】
本発明による実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路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、この担体上に貴金属触媒と、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活性酸素放出剤と、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、が坦持されている。
【００４９】
ここで、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路、燃焼室５およびＮＯｘ吸収剤上流での排気通路内に供給された空気と燃料（炭化水素）の比をいう。なお、ＮＯｘ吸収剤上流の排気通路内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合、流入排気ガスの空燃比は燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【００５０】
前記貴金属触媒としては白金Ｐｔを用いることができる。
前記活性酸素放出剤は、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシム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くとも一つから構成することができる。
【００５１】
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。
【００５２】
前記ＮＯｘ吸収剤は、例えばカリウム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のような希土類から選ばれた少なくとも一つから構成することができる。
【００５３】
なお、この場合、ＮＯｘ吸収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。
【００５４】
活性酸素放出剤を構成する金属とＮＯｘ吸収剤を構成する金属とを比較すればわかるように、これらを構成する金属は大部分が一致している。
したがって、活性酸素放出剤およびＮＯｘ吸収剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。活性酸素放出剤およびＮＯｘ吸収剤として同一の金属を用いた場合には、該金属は活性酸素放出剤としての機能とＮＯｘ吸収剤としての機能との双方の機能を同時に果たすことになる。このように、活性酸素放出剤の機能とＮＯｘ吸収剤の機能の双方の機能を同時に果たすものを、以下、「活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤」と称す。
【００５５】
そして、この実施の形態では、アルミナなどの担体上に、貴金属触媒として白金Ｐｔと、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤としてカリウムＫが坦持された場合を例にとって説明する。
【００５６】
前述したように、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤としてのカリウムＫは、活性酸素放出剤としての機能とＮＯｘ吸収剤としての機能の双方の機能を同時に果たすものであり、この排気浄化装置では、活性酸素放出剤としての機能を利用して排気ガス中の微粒子の酸化除去促進を図り、ＮＯｘ吸収剤としての機能を利用して排気ガス中のＮＯｘを浄化している。以下、それぞれの機能に着目してこの排気浄化装置における浄化メカニズムを説明する。
【００５７】
＜フィルタによる微粒子の連続酸化処理・・・活性酸素放出剤としての機能＞
初めに、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤の活性酸素放出剤としての機能を利用したパティキュレートフィルタ２２による排気ガス中の微粒子除去作用について説明する。なお、この活性酸素放出剤としての機能は、活性酸素放出剤として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、および遷移金属を用いても同様なメカニズムで微粒子除去作用が行われる。
【００５８】
図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では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、図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室５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５内で酸素と反応してＳＯ_２となる。従って排気ガス中にはＳＯ_２が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ_２を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００５９】
図７（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面および隔壁５４内の細孔内壁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。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・ＮＯｘ吸収剤を示している。
【００６０】
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２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図７（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−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Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。次いで生成されたＮＯ_２の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤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ＮＯ_３ ⁻の形で活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻は硝酸カリウムＫＮＯ_３を生成する。
【００６１】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ_２も含まれており、このＳＯ_２もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ_２は白金Ｐｔの表面でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応してＳＯ_３となる。
【００６２】
次いで生成されたＳＯ_３の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ_４ ^２−の形で活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４を生成する。このようにして活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内には硝酸カリウムＫＮＯ_３および硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４が生成される。
【００６３】
一方、燃焼室５内においては主にカーボンＣからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキユレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図７（Ｂ）において６２で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００６４】
このように微粒子６２が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤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・ＮＯｘ吸収剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤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・ＮＯｘ吸収剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ_３がカリウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤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・ＮＯｘ吸収剤６１内に吸収される。
【００６５】
一方、このとき活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ_２とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１との接触面に向かい、ＳＯ_２が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ_２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・ＮＯｘ吸収剤６１内に吸収される。ただし、硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４は安定化しているため、硝酸カリウムＫＮＯ_３に比べ放出しずらい。
【００６６】
一方、微粒子６２と活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ_３や硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４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。従って微粒子６２と活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤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が微粒子６２に接触すると微粒子６２は短時間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。従って微粒子６２はパティキュレートフィルタ２２上に堆積することがない。
【００６７】
従来のようにパテイキュレートフイルタ２２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パティキュレートフィルタ２２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、従ってこのような火炎を伴う燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度をを高温に維持しなければならない。
【００６８】
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、このときパティキュレートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると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。従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除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００６９】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温で行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子がほとんど堆積しないので微粒子の燃えカスであるアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００７０】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ_４によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ_３が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ_４が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００７１】
しかしながらこの場合、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤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を用いると活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に拡散するＳＯ_３はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４を形成し、カルシウムＣａはＳＯ_３と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤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、バリウムＢａを用いることが好ましいことになる。
【００７２】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１はパティキュレートフィルタ２２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・ＮＯｘ吸収剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。従ってパティキュレートフィルタ２２上において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は、パティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００７３】
図９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を示している。なお、図９において横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃焼室５から排出される微粒子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Ｇよりも少ないとき、即ち図９の領域Ｉでは燃焼室５から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２に接触するや否や短時間のうちにパティキュレートーフィルタ２２上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００７４】
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９の領域ＩＩでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図８（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
【００７５】
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図８（Ａ）に示すように微粒子６２が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。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微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図８（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われるようになる。
【００７６】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ、ＳＯ_２の酸化作用および活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図８（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分６３の上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Ｏによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子６４上に更に別の微粒子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２２上には微粒子が積層状に堆積してしまう。
【００７７】
このように図９の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２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９の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉの範囲にすることが望ましい。
【００７８】
しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２２の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。
【００７９】
このように運転状況によっては排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも増大して、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。
【００８０】
この堆積した微粒子を酸化除去するために、排気管７０に配置された切換弁７１を切換える。切換弁７１が切り換えられると、パティキュレートフィルタ２２の排気上流側と排気下流側とが逆転し、切り換え前にパティキュレートフィルタ２２の排気下流側であった部分において、微粒子が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１の表面に付着して活性酸素Ｏが放出され、この微粒子が酸化除去される。この放出される活性酸素Ｏの一部は、排気ガスと共にパティキュレートフィルタ２２の排気下流側へ移動し、ここに堆積する微粒子を酸化除去する。ここでは前述したように、微粒子はパティキュレートフィルタ２２の両面で順流方向と逆流方向に撹乱され、パティキュレートフィルタ２２の両面で、あるいは基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点に出合い酸化される。
【００８１】
このようにして酸化されなかった微粒子がパティキュレートフィルタ２２に堆積し始めているときに、このパティキュレートフィルタ２２の排気上流側と下流側とを逆転することにより、パティキュレートフィルタ２２から微粒子を完全に酸化除去することができる。
【００８２】
またパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積した場合は、排気ガスの一部又は全体の空燃比を一時的にリッチにすることにより、堆積した微粒子が輝炎を発することなく酸化せしめられる。排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で燃焼除去せしめられる。
以上が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤の活性酸素放出剤としての機能を利用した微粒子浄化メカニズムである。
【００８３】
＜活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤によるＮＯｘ浄化処理・・・ＮＯｘ吸放剤としての機能＞
次に、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収剤としての機能を利用したＮＯｘ浄化作用について説明する。なお、このＮＯｘ吸収剤としての機能は、ＮＯｘ吸収剤として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類を用いても同様なメカニズムでＮＯｘ浄化作用が行われる。
【００８４】
活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ浄化作用は図１０に示すようなメカニズムで行われているものと考えられている。なお、図１０（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・ＮＯｘ吸収剤を示している。
【００８５】
まず、流入排気ガスの空燃比がかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図１０（Ａ）に示されるように酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２ →２ＮＯ_２）。
【００８６】
次いで、生成されたＮＯ_２は、白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に吸収されてカリウムＫと結合しながら、図１０（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に拡散する。このようにしてＮＯｘが活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に吸収される。
【００８７】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ_２が生成され、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ_２が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内に吸収されて硝酸イオンＮＯ_３ ⁻が生成される。
【００８８】
これに対して、排気空燃比が理論空燃比またはリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が低下するため、ＮＯ_２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２またはＮＯの形で活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１からＮＯｘが放出されることになる。
【００８９】
一方、このとき、排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−と反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガス中の酸素濃度の低下により活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から放出されたＮＯ_２またはＮＯは、図１０（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元せしめられてＮ_２となる。
【００９０】
即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−が消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨＣ，ＣＯによって活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から放出されたＮＯｘおよび内燃機関から排出されたＮＯｘがＮ_２に還元される。
【００９１】
このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ_２またはＮＯが存在しなくなると、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から次から次へとＮＯ_２またはＮＯが放出され、さらにＮ_２に還元せしめられる。したがって、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすると短時間のうちに活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１からＮＯｘが放出され、Ｎ_２に還元される。
【００９２】
このように、排気ガスの空燃比がリーンになるとＮＯｘが活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１に吸収され、排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはリッチにするとＮＯｘが活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から短時間のうちに放出され、Ｎ_２に還元される。したがって、大気中へのＮＯｘの排出を阻止することができる。
【００９３】
ところで、前述したようにこの圧縮着火式内燃機関では、通常はストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１４．６）よりもはるかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転状態ではフィルタ２２に流入する排気ガス（即ち、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１に流入する排気ガス）の空燃比は非常にリーンであり、排気中のＮＯｘは活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１に吸収され、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から放出されるＮＯｘ量は極めて少ない。
【００９４】
したがって、圧縮着火式内燃機関では、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１のＮＯｘ吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸素濃度を低下せしめ、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１に吸収されたＮＯｘを放出させＮ_２に還元する必要がある。
【００９５】
そのため、この実施の形態では、ＥＣＵ３０が内燃機関の運転状態の履歴から活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１に吸収されたＮＯｘ量を推定し、その推定ＮＯｘ量が予め設定した所定値に達したときに、排気ガスの空燃比を一時的にリッチにして酸素濃度を低下せしめると同時に還元剤を供給するようにしている。このように排気ガスの空燃比を一時的にリッチにすることを一般にリッチスパイクと称している。
【００９６】
この実施の形態では、内燃機関の膨張行程あるいは排気行程において気筒内に燃料を副噴射することによりリッチスパイクを実現する。なお、リッチスパイクは、フィルタ２２より上流の排気通路７０内に燃料を供給することによっても実現可能である。
【００９７】
このように、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１のＮＯｘ吸収能力が飽和する前に所定のタイミングでリッチスパイクを実行することにより、排気ガス中のＮＯｘを連続して浄化することができ、ＮＯｘを大気に放出させるのを阻止することができる。
以上が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１のＮＯｘ吸放剤としての機能を利用したＮＯｘ浄化メカニズムである。
【００９８】
したがって、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１を用いた場合、フィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには、排気ガス中に含まれるＮＯｘは活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１に付着するとこの微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から放出される活性酸素によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。つまり、このときには排気ガス中の微粒子およびＮＯｘの双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【００９９】
一方、フィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると、活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１からＮＯｘが放出される。このＮＯｘは未燃ＨＣ，ＣＯにより還元され、斯くしてこのときにもＮＯｘが大気中に排出されることがない。また、このときフィルタ２２上に微粒子が堆積していた場合には、この微粒子は活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤６１から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【０１００】
次に、ＮＯｘの還元と微粒子の酸化とを運転状況に応じてより効果的に行うための排気ガス流の切換え制御について、図１１及び図１２のフローチャートに従って説明する。
【０１０１】
図１１に示すフローチャートは、排気ガス流切換制御ルーチンを示すものであり、この排気ガス流切換制御ルーチンは、予めＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に記憶されており、一定時間毎にＣＰＵ３４によって実行される。
【０１０２】
処理がスタートすると、ＣＰＵ３４は、ステップ１０１において、燃料カットを含む減速時か否かを判定する。車両が燃料カットを含む減速時であるか否かの判定は、車両に備えたＧセンサ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサ、エンジン回転数センサ（クランク角センサ）、スロットル開度センサ等により判定する。
【０１０３】
ＣＰＵ３４は、ステップ１０１において、燃料カットを含む減速時であると判定した場合（ステップ１０１：ＹＥＳ）、ステップ１０２に進み、一方、燃料カットを含む減速時でないと判定した場合（ステップ１０１：ＮＯ）はリターンとなりスタート位置に戻る。燃料カットを含む減速時の場合は、排気ガス温度が低くフィルタを冷却することになり、微粒子の酸化除去能力を低下させるおそれがあるため、バイパスさせる必要がある。
【０１０４】
このため、ＣＰＵ３４は、次のステップ１０２において、排気切換弁７１に若干傾きを与えてバイパス状態とし、ケーシング２３内にわすかなガスの流れを作る。すると、ＳＶが低下した状態となる。この状態で還元剤をフィルタに供給すると、活発な酸化反応が生じ、フィルタ温度が上昇して、微粒子の酸化を促進できる。また、フィルタに流れる排気ガス流量が小さいバイパスする時期を狙ってＮＯｘ放出のための還元剤供給処理を行っているため、わずかな還元剤量でＮＯｘを放出させることができる。
【０１０５】
ＮＯｘ放出が完了すると、還元剤の供給は停止される。しかし、ＣＰＵ３４は、ステップ１０３において、還元剤供給終了後、所定期間ｔの間だけ、排気ガスの一部のみをフィルタ２２に導き、他の排気ガス流量をバイパス通路７３に流すように排気切換弁７１を維持させる制御を行う。なお、所定期間ｔはフィルタ２２に残存する還元剤を酸化するのに必要な時間であり、予めＲＡＭ３３に登録してあるものとする。図１３は上記の如く制御されたときの触媒出口のＮＯｘ濃度を示している。減速毎にフィルタに流される排気ガスをバイパスし、かつこのとき還元剤を供給することで、ＮＯｘ許容値を越えないで、運転することができる。
【０１０６】
還元剤として燃料を使用する場合、この燃料は反応性の低いＨＣを含むので、還元剤供給終了後はフィルタに多くのＨＣが残存している。この状態で、還元剤供給終了後、直ちに排気切換弁７１で排気ガスの流れを切り換えてしまうと、多量のＨＣが外部に放出される危険がある。そこで、この制御により、ＨＣ放出を阻止するため、還元剤供給終了後も所定期間ｔだけ排気切換弁７１をそのままの状態に保持し、酸素を含んだリーンの排気ガスを取り込んでＨＣの酸化を促進させる。なお、上記実施の形態では、減速毎に還元剤を供給するようにしているが、推定されたＮＯｘ吸蔵量が小さいときには、必ずしも還元剤を供給する必要はない。
【０１０７】
ＣＰＵ３４は、所定期間ｔ終了後、ＮＯｘ放出による還元処理を終了（ステップ１０４）し、リターンしてスタート位置に戻る。
【０１０８】
図１１のフローチャートでは減速運転時にＮＯｘ還元剤を供給するＮＯｘ還元制御を行う場合を説明したが、減速運転時にＮＯｘ還元剤を供給する制御では、高速走行時など燃料カットが継続して発生しない運転の場合、ＮＯｘ還元制御が不可能となる。そこで、次に、減速状態、あるいは燃料噴射量が設定値以下の状態が所定時間以上にわたり発生しないときには、強制的にＮＯｘ還元剤を供給するＮＯｘ還元制御を、図１２のフローチャートに基づき説明する。
【０１０９】
図１２に示すフローチャートも、排気ガス流切換制御ルーチンを示すものであり、予めＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に記憶されており、一定時間毎にＣＰＵ３４によって実行される。
【０１１０】
処理がスタートすると、ＣＰＵ３４は、ステップ２０１において、ＮＯｘ許容値の判定を行う。
ＮＯｘ許容値の判定方法は上述の通りである。
【０１１１】
図１４は高速走行時にＮＯｘセンサの出ＮＯｘ濃度を時間の経過と共に示したものである。この実施の形態では、図１４に示すように、ＮＯｘ許容値Ｌを予め決めてＲＡＭ３３に登録しておき、このＮＯｘ許容値Ｌを基準にＣＰＵ３４がＮＯｘ許容値の判定をするものとする。
【０１１２】
ＣＰＵ３４は、ステップ２０１において、出ＮＯｘ濃度が許容値Ｌより高いと判定した場合（ステップ２０１：ＹＥＳ）、処理がステップ２０２に進み、一方、出ＮＯｘ濃度が許容値Ｌより低いと判定した場合（ステップ２０１：ＮＯ）はリターンとなる。
【０１１３】
次に、ＣＰＵ３４は、ステップ２０２において、ステップ１０２と同様に、排気切換弁７１に若干傾きを与えてバイパス状態とし、ケーシング２３内にわすかなガスの流れを作る。この状態で還元剤をフィルタに供給すると、活発な酸化反応が生じ、フィルタ温度が上昇して、微粒子の酸化を促進できる。また、フィルタに流れる排気ガス流量が小さいバイパスする時期を狙ってＮＯｘ放出のための還元剤供給処理を行っているため、わずかな還元剤量でＮＯｘを放出させることができる。
【０１１４】
ＮＯｘ放出が完了すると、還元剤の供給は停止される。しかし、ＣＰＵ３４は、ステップ２０３において、還元剤供給終了後所定時間ｔ、排気ガスの一部のみをフィルタ２２に導き、他の排気ガス流量をバイパス通路７３に流すように排気切換弁７１を維持させる制御を行う。この制御により、しばらくは排気ガスの大部分はバイパスさせておくことで、フィルタに吸着された還元剤を酸化することができる。
【０１１５】
ＣＰＵ３４は、所定時間ｔ終了後、ＮＯｘ放出による還元処理を終了（ステップ２０４）し、リターンしてスタート位置に戻る。
【０１１６】
なお、本出願に係る発明において、フィルタの微粒子酸化除去量が小さくなると予想されるときを、上述の減速時の他、燃料噴射量が小の時として構成してもよい。
【０１１７】
また、上記実施の形態においては、排気浄化装置にフィルタを１個設けた場合を説明したが、本発明は排気浄化装置にフィルタを複数設けた場合を含む。
【０１１８】
例えば、別の実施の形態として、図１５は排気浄化装置にフィルタ２２ａ，２２ｂを隣接して２個装着した場合を示し、図１５（ａ）は排気浄化装置の平面図であり、図１５（ｂ）は排気浄化装置の側面図である。
【０１１９】
図１５に示すように、フィルタ２２ａ，２２ｂ間に燃料添加ノズル８０ａが設けられている。このように、燃料添加ノズル８０ａをフィルタ２２ａ，２２ｂ間に設けて還元剤の供給を行う場合は、フィルタ２２ａ，２２ｂ間で還元雰囲気が形成される。従って、前述の実施の形態のように、フィルタを還元雰囲気にすべく排気切換弁７１を傾ける必要はなく、排気切換弁７１を完全に中間位置に制御すればよので排気切換弁７１の制御が容易となる。なお、図１５において、図３の符号と同じ符号のものは同一の機能を有するものなので、その説明は省略する。
【０１２０】
また、図１６は排気浄化装置にフィルタ２２ｃ，２２ｄを直列で２個装着した場合を示し、図１６（ａ）は排気浄化装置の平面図であり、図１６（ｂ）は排気浄化装置の側面図である。
【０１２１】
この別の実施の形態の場合、図１６に示すように、第１の排気通路側にフィルタ２２ｃが設けられ、第２の排気通路側にフィルタ２２ｄが設けられている。燃料添加ノズル８０ｂはフィルタ２２ｃ，２２ｄの中間位置の排気通路上に設けられている。このように、燃料添加ノズル８０ｂをフィルタ２２ｃ，２２ｄ間に設けて還元剤の供給を行う場合も、フィルタ２２ｃ，２２ｄ間で還元雰囲気が形成される。従って、排気切換弁７１を中間位置に制御すればよので排気切換弁７１の制御が容易となる。なお、図１６において、図３の符号と同じ符号のものは同一の機能を有するものなので、その説明は省略する。
【０１２２】
また、本発明は、フィルタ２２に形成された担体の層上に白金Ｐｔのような貴金属触媒とＮＯｘ吸収剤を坦持した場合にも成立する。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９に示す実線に比べて若干右側に移動する。この場合には白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ_２またはＳＯ_３から活性酸素が放出される。
【０１２３】
また、活性酸素放出剤としては、ＮＯ_２またはＳＯ_３を吸着保持しこれら吸着されたＮＯ_２またはＳＯ_３から活性酸素を放出し得る触媒を用いることもできる。
【０１２４】
本発明の装置によれば、フィルタの還元雰囲気を、排気切換弁に中間位置より若干傾きを与えて排気浄化装置内にわすかな排気ガスの流れを作ることにより形成し、この低ＳＶ状態で還元剤をフィルタに供給するように構成したので、わずかな還元剤量でＮＯｘを放出させることができ、ＮＯｘ還元が促進できる。
【０１２５】
また、減速状態、あるいは燃料噴射量が設定値以下の状態が所定時間以上にわたり発生しないときでも、強制的に前記排気ガスの一部のみを前記フィルタに導いて還元剤を供給するように構成したので、高速走行時のように長時間排気ガスの流量をバイパス通路に流すことがない場合であっても、強制的にＮＯｘ放出処理を行わせることができる。
【０１２６】
更に、制御手段は、前記還元剤供給終了後所定期間、前記排気ガスの一部のみを前記フィルタに導き、他の排気ガス流量を前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を維持させる制御を行うように構成したので、フィルタに吸着した還元剤（ＨＣ）を酸素を含んだリーンの排気ガスで酸化させてから放出できるので、ＨＣの放出を阻止することができる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＮＯｘの還元と微粒子の酸化を運転状況に応じてより効果的に行うことができ、またＮＯｘ還元終了後において燃料等の還元剤が未処理のまま外部に放出されることがない内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】機関の要求トルクを示す図である。
【図３】排気浄化装置を示す上面図である。
【図４】排気浄化装置を示す正面図である。
【図５】（Ａ）はフィルタ基材に微粒子が堆積する状態を示すイメージ図であり、（Ｂ）は排気ガスの順流、逆流による微粒子の撹乱状態を示すイメージ図である。
【図６】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図７】微粒子の酸化作用を示す概念図である。
【図８】微粒子の堆積作用を示す概念図である。
【図９】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１０】ＮＯｘの浄化作用を示す概念図である。
【図１１】実施の形態における排気ガス流切換制御を示したフローチャート図である。
【図１２】別の実施の形態における排気ガス流切換制御を示したフローチャート図である。
【図１３】減速運転時にＮＯｘセンサで検出した出ＮＯｘ濃度を時間の経過と共に示したものである。
【図１４】高速走行時にＮＯｘセンサで検出した出ＮＯｘ濃度を時間の経過と共に示したものである。
【図１５】排気浄化装置にフィルタを隣接して２個装着した場合を示し、図１５（ａ）は排気浄化装置の平面図であり、図１５（ｂ）は排気浄化装置の側面図である。
【図１６】排気浄化装置にフィルタを直列に２個装着した場合を示し、図１６（ａ）は排気浄化装置の平面図であり、図１６（ｂ）は排気浄化装置の側面図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
２２…パティキュレートフィルタ
３０…ＥＣＵ
６１…活性酸素放出・ＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ吸収剤、活性酸素放出剤）
７０…排気管
７１…排気切換弁（排気切換手段）
７２…アクチュエータ
７３…バイパス通路
７５…制御手段
７６…第１の排気通路
７７…第２の排気通路
８０…燃料添加ノズル（還元剤供給手段）

Claims

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、排気ガス中の微粒子の酸化を促進する活性酸素放出剤とが担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕獲可能なフィルタと、
前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと前記フィルタの他方側から排気ガスを流す第２の流れとを交互に切換え可能であり、切換え途中では排気ガスが前記フィルタを迂回するバイパス通路に流す排気切換手段と、
この排気切換手段により排気の流れを交互に切り換えられる排気通路の分岐点と前記フィルタ上流の排気通路との間に設けられた還元剤供給手段と、
前記内燃機関が搭載された車両の減速時、または燃料噴射量が小であるため前記フィルタの微粒子酸化除去量が小さくなると予想されるときは、前記排気ガスの一部のみを、前記還元剤を供給する側の排気通路を介して前記フィルタへ導き、その他の排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を制御すると共に、前記フィルタを還元雰囲気にすべく前記還元剤を供給するように前記還元剤供給手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記減速時、または燃料噴射量が小の状態が一定時間以上にわたり生じないときは、強制的に前記排気ガスの一部のみを前記フィルタを導き、その他の排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を制御すると共に、前記フィルタの還元雰囲気にすべく前記還元剤を供給するように前記還元剤供給手段を制御する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記減速時、または燃料噴射量が小の状態が一定時間以上にわたり生じないとき、所定のＮＯx 許容値を基準に強制的に前記排気切換手段および前記還元剤供給手段を制御する請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記還元剤の供給後の所定時間にわたり前記排気ガスの一部のみを前記フィルタを導き、その他の排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を維持させる制御を実施する請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するＮＯx吸収剤と、排気ガス中の微粒子の酸化を促進する活性酸素放出剤とが担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕獲可能な複数のフィルタと、
前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと前記フィルタの他方側から排気
ガスを流す第２の流れとを交互に切換え可能であり、切換え途中では排気ガスが前記フィルタを迂回するバイパス通路に流す排気切換手段と、
前記複数のフィルタ間に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記フィルタの微粒子酸化除去量が小さくなると予想されるときは、前記排気ガスを前記バイパス通路に流すように前記排気切換手段を制御すると共に、前記フィルタを還元雰囲気にすべく前記還元剤を供給するように前記還元剤供給手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。