JP3620446B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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関し、特に、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ以下特に断らない限り「ＰＭ」という。）を捕集する手段を有する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは経済性に優れている反面、排気中に含まれるＰＭの除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないようにディーゼルエンジンの排気系にＰＭの捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が周知である。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕集され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、捕集されたＰＭはフィルタに堆積しフィルタの目詰まりを発生させる。この目詰まりによりフィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する。そこで、フィルタ上に堆積したＰＭを着火燃焼せしめることによりＰＭを除去する必要が生じる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
しかし、前記フィルタに捕集されたＰＭを着火燃焼させるためには、フィルタの温度を例えば５００℃以上の高温にする必要があるが、ディーゼルエンジンの排気の温度は通常この温度よりも低いためＰＭを燃焼除去するのは困難であった。
【０００５】
そこで、電気ヒータ、バーナ等を用いて捕集されたＰＭの着火燃焼が生じる温度までフィルタを加熱、昇温することが考えられるが、これには多大なエネルギを外部から供給する必要がある。この問題に対し、例えば特開平６−１５９０３７号公報によれば、ＮＯｘ触媒を担持したフィルタと、排気中に炭化水素を供給する装置とを使用し、排気中に供給した炭化水素をＮＯｘ触媒で燃焼させた際に発生する熱を利用して容易にＰＭの燃焼を可能としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給するための実行条件及びＰＭを燃焼減量させるための実行条件を適切に設定することが重要である。
【０００７】
例えば、車両の運転条件、ＮＯｘ触媒温度、前回のＰＭ燃焼制御実行からの経過時間をＰＭ燃焼制御の実行条件とすると、この条件が成立しない限りＰＭの燃焼制御は行われないため、ＰＭの燃焼除去が必要とされる堆積量よりも多くのＰＭがフィルタに堆積することがある。この状態が長く続いた後、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを還元するために還元剤を排気中へ供給すると、還元剤はＮＯｘ触媒に到達する前にフィルタに堆積したＰＭに付着してＰＭ同様にフィルタに堆積し、フィルタの目詰まりを進行させてしまう。
【０００８】
本発明は以上の問題を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、フィルタ及び窒素酸化物吸収剤を具備する内燃機関の排気浄化装置において、粒子状物質の除去及び窒素酸化物の還元を適正な時期に行い、還元剤がフィルタに堆積することを防止し、以て、フィルタ機能の低下を防止することができる技術を提供することにある。
【０００９】
【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。
【００１０】
すなわち、内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、
内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる窒素酸化物を吸収する窒素酸化物吸収剤と、
前記窒素酸化物吸収剤に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記フィルタに堆積した粒子状物質の量を推定する堆積状態推定手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記堆積状態推定手段が所定量以上の粒子状物質が堆積していると推定し且つ前記運転状態検出手段により検出された内燃機関の運転状態が所定条件を満たした場合に堆積した粒子状物質を除去して前記フィルタの再生を行うフィルタ再生手段と、
を具備し、
前記堆積状態推定手段がフィルタ再生の条件である所定量以上の粒子状物質がフィルタに堆積していると推定したにもかかわらず前記運転状態検出手段で検出された運転状態が所定条件を満たさないために所定期間以上フィルタの再生が行われない場合には、前記フィルタに堆積した粒子状物質の除去が完了するまで前記還元剤供給手段による還元剤の供給を行わないことを特徴とする。
【００１１】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気中に含まれる粒子状物質が排気通路に設けられたフィルタによって捕集される。
【００１２】
フィルタに捕集された粒子状物質は、フィルタに堆積しフィルタの目詰まりを誘発するので、フィルタ再生手段により除去される。
【００１３】
また、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）は、排気通路に設けられた窒素酸化物吸収剤に吸収される。
【００１４】
そして、窒素酸化物吸収剤へ還元剤を供給する必要が生じたときに、還元剤供給手段は、窒素酸化物吸収剤より上流の排気通路へ還元剤を供給する。
【００１５】
排気通路に供給された還元剤は、排気通路の上流から流れてくる排気とともに窒素酸化物吸収剤へ流入する。そして、窒素酸化物吸収剤は、還元剤を利用して排気中の有害ガス成分を還元及び浄化することになる。
【００１６】
ところで、フィルタの再生及び窒素酸化物の還元を行ったときの効果は、内燃機関の運転状態等によって大きく異なる。
【００１７】
そこで、フィルタに粒子状物質が堆積している状態又は窒素酸化物吸収剤に吸収されている窒素酸化物の量を考慮しつつ運転状態検出手段の検出結果等に基づいてフィルタの再生又は窒素酸化物吸収剤へ還元剤を供給する時期が決定される。
【００１８】
このような条件を定めると、フィルタに粒子状物質が所定量以上堆積し、再生が必要とされても、運転状態等の所定条件が成立していないときにはフィルタの再生は行われない。このような状態が続いてフィルタに所定量以上の粒子状物質が堆積したときに、窒素酸化物吸収剤へ還元剤を供給する条件が成立してしまい還元剤の供給が行われると、窒素酸化物吸収剤へ還元剤が到達する前に、フィルタに堆積した粒子状物質に還元剤が付着しそのまま粒子状物質と共にフィルタに堆積してしまう。
【００１９】
そこで、フィルタに堆積している粒子状物質の量を堆積状態推定手段により推定し、所定量以上の粒子状物質の堆積が推定されたときには、フィルタの再生が完了するまでは還元剤の供給は行わないようにし、フィルタの目詰まりが進行することを防止する。
【００２０】
前記堆積状態推定手段は、例えばフィルタ前後の差圧に基づいて予め求めた数値マップにより粒子状物質の堆積量を推定することができる。その他にも、所定期間フィルタの再生が行われていない、所定の距離を走行した間にフィルタの再生が行われていない、フィルタを再生する前に内燃機関の運転が停止された等の条件が成立したときに、フィルタの再生が完了するまで窒素酸化物吸収剤へ還元剤の供給を行わないようにしてもよい。
【００２１】
本発明においては、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が所定条件を満たしていないためにフィルタの再生が行われていないときに、前記内燃機関が高負荷状態になった場合には、前記内燃機関に供給する燃料を減量させてもよい。
【００２２】
高負荷時に供給される燃料の量が多いと、酸素濃度が低い状態での高温燃焼となるため粒子状物質が多量に発生する。そこで、高負荷時に燃料を減量することで内燃機関から排出される粒子状物質を低減することができ、フィルタの目詰まりが進行することを防止できる。
【００２３】
本発明においては、排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させるＥＧＲ装置を具備し、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が所定条件を満たしていないためにフィルタの再生が行われていないときに、ＥＧＲガス量を減量させてもよい。
【００２４】
高負荷時にＥＧＲガス量が多いと、酸素濃度が低い状態での高温燃焼となるため粒子状物質が多量に発生する。そこで、高負荷時にＥＧＲガス量を減量することで内燃機関から排出される粒子状物質を低減することができ、フィルタの目詰まりが進行することを防止できる。
【００２５】
本発明においては、前記還元剤供給手段は、内燃機関の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加ノズルであり、また、前記フィルタ再生手段は、内燃機関へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射であってもよい。
【００２６】
副噴射を行うと、噴射された燃料は内燃機関から排出される前に燃焼し、排気の温度を上昇させる。この高温になった排気がフィルタに到達すると、フィルタに堆積した粒子状物質は着火され燃焼除去される。
【００２７】
また、このときに排出される炭化水素は十分にガス化されており、フィルタに捕集されて目詰まりの原因とはなりにくいものである。
【００２８】
本発明においては、前記窒素酸化物吸収剤を前記フィルタに担持させてもよい。
【００２９】
また、本発明においては、前記フィルタを前記窒素酸化物吸収剤よりも排気通路の上流に設置してもよい。
【００３０】
窒素酸化物吸収剤が担持されたフィルタや、窒素酸化物吸収剤よりも排気通路の上流に設置されたフィルタは、還元剤が窒素酸化物吸収剤に到達する前にフィルタに堆積した粒子状物質に付着するので特に効果が高い。
【００３１】
本発明においては、前記内燃機関が低回転低負荷で運転されているときで、前記内燃機関が温間状態にあるときは、通常よりもＥＧＲガス量を増量し、また、前記内燃機関が冷間状態にあるときは、内燃機関へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射を行いフィルタ又は窒素酸化物吸収剤の温度を上昇させることができる。
【００３２】
副噴射を行うと、噴射された燃料は内燃機関から排出される前に燃焼し、排気の温度を上昇させる。この副噴射により窒素酸化物吸収剤及びフィルタの早期温度上昇が可能となる。ここで、窒素酸化物吸収剤は、炭化水素を酸化する機能も有するが、冷間時は、窒素酸化物吸収剤の温度が活性温度に達していないため炭化水素の酸化が行われないので炭化水素の排出量が少ない副噴射をおこなう。
【００３３】
また、このときに排出される炭化水素は高温のため十分にガス化されており、フィルタに捕集されて目詰まりの原因とはなりにくいものである。
【００３４】
副噴射は、燃料を燃焼させて排気を高温状態にするため、フィルタ及び窒素酸化物吸収剤の昇温を行うことに関しては効果的であるが、燃料を多く消費するため冷間時に主に行うこととしたが、以下に述べる低温燃焼が達成できない領域では、温間時でも使用することができる。
【００３５】
温間時は、窒素酸化物吸収剤の温度が活性温度に達しているので窒素酸化物吸収剤による炭化水素の浄化が期待できる。このときに、ＥＧＲガス量を通常よりも増量して内燃機関の運転を行う。これは、粒子状物質の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも更に多くのＥＧＲガスを加えて燃料を燃焼させるものである。これを、低温燃焼といい、粒子状物質はほとんど発生せず、その代わりに未燃炭化水素が多く排出される。排出された未燃炭化水素は窒素酸化物吸収剤で酸化され該窒素酸化物吸収剤の温度が上昇する。この低温燃焼は未燃炭化水素を多く排出するために窒素酸化物吸収剤が活性温度に達してないと、未燃炭化水素が窒素酸化物吸収剤で酸化されずに大気中へ放出されてしまう。そこで、低温燃焼は温間時のみ行うこととした。
【００３６】
本発明においては、フィルタとしてパティキュレートフィルタを例示できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００３８】
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００３９】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。このコモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００４０】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００４１】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００４２】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００４３】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【００４４】
前記吸気枝管８は、吸気管９に接続され、この吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続されている。前記エアクリーナボックス１０より下流の吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１と、該吸気管９内を流通する吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ１２とが取り付けられている。
【００４５】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００４６】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられ、コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１６が設けられている。
【００４７】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス１０に流入した吸気は、該エアクリーナボックス１０内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００４８】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１６にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００４９】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００５０】
前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００５１】
前記排気管１９の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ２０が配置されている。フィルタ２０の上流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の圧力に対応した電気信号を出力するフィルタ上流圧力センサ３８が取り付けられている。フィルタ２０より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ２３と、該排気管１９内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２４と、該排気管１９内を流通する排気の圧力に対応した電気信号を出力するフィルタ下流圧力センサ３９と、が取り付けられている。
【００５２】
前記した空燃比センサ２３及び排気温度センサ２４より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁２１が設けられている。この排気絞り弁２１には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞り弁２１を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ２２が取り付けられている。
【００５３】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、該排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００５４】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介してフィルタ２０へ流入し、排気中のＰＭが捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。フィルタ２０にてＰＭを捕集され且つ有害ガス成分を除去又は浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁２１によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００５５】
また、排気枝管１８と吸気枝管８とは、排気枝管１８内を流通する排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２５を介して連通されている。このＥＧＲ通路２５の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２５内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を変更する流量調整弁（ＥＧＲ弁）２６が設けられている。
【００５６】
前記ＥＧＲ通路２５においてＥＧＲ弁２６より上流の部位には、該ＥＧＲ通路２５内を流通するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２７が設けられている。
【００５７】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、ＥＧＲ通路２５が導通状態となり、排気枝管１８内を流通する排気の一部が前記ＥＧＲ通路２５へ流入し、ＥＧＲクーラ２７を経て吸気枝管８へ導かれる。
【００５８】
その際、ＥＧＲクーラ２７では、ＥＧＲ通路２５内を流通するＥＧＲガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されることになる。
【００５９】
ＥＧＲ通路２５を介して排気枝管１８から吸気枝管８へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管８の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００６０】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が抑制される。
【００６１】
更に、ＥＧＲクーラ２７においてＥＧＲガスが冷却されると、ＥＧＲガス自体の温度が低下するとともにＥＧＲガスの体積が縮小されるため、ＥＧＲガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量（新気の体積）が不要に減少することもない。
【００６２】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２０について説明する。
【００６３】
図４にフィルタ２０の構造を示す。なお、図４において（Ａ）はフィルタ２０の横方向断面を示しており、（Ｂ）はフィルタ２０の縦方向断面図を示している。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタ２０は、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図４（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００６４】
フィルタ２０は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路５０内に流入した排気は図４（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気流出通路５１内に流出する。
【００６５】
本発明による実施例では各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が坦持されている。
【００６６】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２０に担持された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の働きについて説明する。
【００６７】
フィルタ２０は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持して構成される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を例に挙げて説明する。
【００６８】
このように構成されたＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収する。
【００６９】
一方、ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒から放出された窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）に還元せしめることができる。
【００７０】
尚、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出作用については明らかにされていない部分もあるが、おおよそ以下のようなメカニズムによって行われていると考えられる。
【００７１】
先ず、ＮＯｘ触媒では、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図２（Ａ）に示されるように、排気中の酸素（Ｏ_２）がＯ_２ ⁻またはＯ^２−の形で白金（Ｐｔ）の表面上に付着する。排気中の一酸化窒素（ＮＯ）は、白金（Ｐｔ）の表面上でＯ_２ ⁻またはＯ^２−と反応して二酸化窒素（ＮＯ_２）を形成する（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。二酸化窒素（ＮＯ_２）は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）の形でＮＯｘ触媒に吸収される。尚、ＮＯｘ触媒に吸収された硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ_３）_２）を形成する。
【００７２】
このようにＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が硝酸イオン（ＮＯ_３−）としてＮＯｘ触媒に吸収される。
【００７３】
上記したようなＮＯｘ吸収作用は、流入排気の空燃比がリーン空燃比であり、且つＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り継続される。従って、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）がＮＯｘ触媒に吸収され、排気中から窒素酸化物（ＮＯｘ）が除去されることになる。
【００７４】
これに対して、ＮＯｘ触媒では、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下すると、白金（Ｐｔ）の表面上において二酸化窒素（ＮＯ_２）の生成量が減少するため、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合していた硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）が逆に二酸化窒素（ＮＯ_２）や一酸化窒素（ＮＯ）となってＮＯｘ触媒から離脱する。
【００７５】
その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、それらの還元成分が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ_２ ⁻またはＯ^２−）と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、ＮＯｘ触媒から放出された二酸化窒素（ＮＯ_２）や一酸化窒素（ＮＯ）を窒素（Ｎ_２）に還元せしめることになる。
【００７６】
従って、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となって排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が高まると、ＮＯｘ触媒に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯｘ）が放出及び還元され、以てＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が再生されることになる。
【００７７】
ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）がＮＯｘ触媒に吸収されることになるが、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）がＮＯｘ触媒にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【００７８】
特に、内燃機関１のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和し易い。
【００７９】
従って、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、ＮＯｘ触媒に吸収された窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出及び還元させる必要がある。
【００８０】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、フィルタ２０より上流の排気通路を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【００８１】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１８内に臨むよう内燃機関１のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁２８へ導く還元剤供給路２９と、この還元剤供給路２９の途中に設けられ該還元剤供給通路２９内を流通する燃料の流量を調整する流量調整弁３０と、この流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に設けられて該還元剤供給路２９内の燃料の流通を遮断する遮断弁３１と、前記流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に取り付けられ該還元剤供給路２９内の圧力に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ３２と、を備えている。
【００８２】
尚、還元剤噴射弁２８は、該還元剤噴射弁２８の噴孔が排気枝管１８におけるＥＧＲ通路２５との接続部位より下流であって、排気枝管１８における４つの枝管の集合部に最も近い気筒２の排気ポートに突出するとともに、排気枝管１８の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【００８３】
これは、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤（未燃の燃料成分）がＥＧＲ通路２５へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管１８内に滞ることなく遠心過給機のタービンハウジング１５ｂへ到達するようにするためである。
【００８４】
尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つの気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられているが、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられるようにする。
【００８５】
また、前記還元剤噴射弁２８は、シリンダヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付けられるようにし、前記ウォータージャケットを流通する冷却水を利用して還元剤噴射弁２８が冷却されるようにしてもよい。
【００８６】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁３０が開弁されると、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ印加される。そして、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁２８が開弁して排気枝管１８内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【００８７】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気ととともにタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂ内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。
【００８８】
このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、タービンハウジング１５ｂから排気管１９を介してフィルタ２０に流入し、フィルタ２０に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出させつつ窒素（Ｎ_２）に還元することになる。
【００８９】
その後、流量調整弁３０が閉弁されて燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されると、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁２８が閉弁し、排気枝管１８内への還元剤の添加が停止されることになる。
【００９０】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００９１】
ＥＣＵ３５には、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温度センサ２４、還元剤圧力センサ３２、クランクポジションセンサ３３、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６、フィルタ上流圧力センサ３８、フィルタ下流圧力センサ３９等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。
【００９２】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００９３】
ここで、ＥＣＵ３５は、図３に示すように、双方向性バス３５０によって相互に接続された、ＣＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バックアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備えている。
【００９４】
前記入力ポート３５６は、クランクポジションセンサ３３のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００９５】
前記入力ポート３５６は、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温度センサ２４、還元剤圧力センサ３２、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６、フィルタ上流圧力センサ３８、フィルタ下流圧力センサ３９等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００９６】
前記出力ポート３５７は、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、あるいは遮断弁３１へ送信する。
【００９７】
前記ＲＯＭ３５２は、燃料噴射弁３を制御するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁１３を制御するための吸気絞り制御ルーチン、排気絞り弁２１を制御するための排気絞り制御ルーチン、ＥＧＲ弁２６を制御するためのＥＧＲ制御ルーチン、フィルタ２０に捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ燃焼制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するための燃料添加制御ルーチン、フィルタ２０の酸化物による被毒を解消するための被毒解消制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００９８】
前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気絞り弁１３の目標開度との関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と排気絞り弁２１の目標開度との関係を示す排気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態とＥＧＲ弁２６の目標開度との関係を示すＥＧＲ弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と還元剤の目標添加量（若しくは排気の目標空燃比）との関係を示す還元剤添加量制御マップ、還元剤の目標添加量と流量調整弁３０の開弁時間との関係を示す流量調整弁制御マップ等である。
【００９９】
前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【０１００】
前記バックアップＲＡＭ３５４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【０１０１】
前記ＣＰＵ３５１は、前記ＲＯＭ３５２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、ＥＧＲ制御、ＰＭ燃焼制御、燃料添加制御、被毒解消制御等を実行する。
【０１０２】
例えば、燃料噴射弁制御では、ＣＰＵ３５１は、先ず、燃料噴射弁３から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁３から燃料を噴射する時期を決定する。
【０１０３】
燃料噴射量を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値等に基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【０１０４】
燃料噴射時期を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射時期を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定する。
【０１０５】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、ＣＰＵ３５１は、前記燃料噴射時期とクランクポジションセンサ３３の出力信号とを比較し、前記クランクポジションセンサ３３の出力信号が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始する。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を停止する。
【０１０６】
尚、燃料噴射制御において内燃機関１の運転状態がアイドル運転状態にある場合は、ＣＰＵ３５１は、水温センサ３４の出力信号値や、車室内用空調装置のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして内燃機関１の目標アイドル回転数を算出する。そして、ＣＰＵ３５１は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【０１０７】
また、吸気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ１４に印加する。その際、ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁１３の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁１３の開度と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ１４をフィードバック制御するようにしてもよい。
【０１０８】
また、排気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合などに排気絞り弁２１を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用アクチュエータ２２を制御する。
【０１０９】
この場合、内燃機関１の負荷が増大し、それに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結果、内燃機関１の発熱量が増加し、内燃機関１の暖機が促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保される。
【０１１０】
また、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、水温センサ３４の出力信号（冷却水温度）、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）等を読み出し、ＥＧＲ制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
【０１１１】
上記したＥＧＲ制御実行条件としては、冷却水温度が所定温度以上にある、内燃機関１が始動時から所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度の変化量が正値である等の条件を例示することができる。
【０１１２】
上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していると判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてＥＧＲ弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標ＥＧＲ弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標ＥＧＲ弁開度に対応した駆動電力をＥＧＲ弁２６に印加する。一方、上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していないと判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を全閉状態に保持すべく制御する。
【０１１３】
更に、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、内燃機関１の吸入空気量をパラメータとしてＥＧＲ弁２６の開度をフィードバック制御する、いわゆるＥＧＲ弁フィードバック制御を行うようにしてもよい。
【０１１４】
ＥＧＲ弁フィードバック制御では、例えば、ＣＰＵ３５１は、アクセル開度や機関回転数等をパラメータとして内燃機関１の目標吸入空気量を決定する。その際、アクセル開度と機関回転数と目標吸入空気量との関係を予めマップ化しておき、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから目標吸入空気量が算出されるようにしてもよい。
【０１１５】
上記した手順により目標吸入空気量が決定されると、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されたエアフローメータ１１の出力信号値（実際の吸入空気量）を読み出し、実際の吸入空気量と目標吸入空気量とを比較する。
【０１１６】
前記した実際の吸入空気量が前記目標吸入空気量より少ない場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量閉弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が減少し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が減少することになる。その結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが減少した分だけ増加する。
【０１１７】
一方、実際の吸入空気量が目標吸入空気量より多い場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量開弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が増加し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が増加する。この結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが増加した分だけ減少することになる。
【０１１８】
次に、燃料添加制御では、ＣＰＵ３５１は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチ空燃比とする、リッチスパイク制御を実行する。
【０１１９】
リッチスパイク制御では、ＣＰＵ３５１は、所定の周期毎にリッチスパイク制御実行条件が成立しているか否かを判別する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が活性状態にあるか、排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下であるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。
【０１２０】
上記したようなリッチスパイク制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、還元剤噴射弁２８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【０１２１】
具体的には、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、燃料噴射量等を読み出す。更に、ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【０１２２】
続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標添加量をパラメータとしてＲＯＭ３５２の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁３０の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【０１２３】
流量調整弁３０の目標開弁時間が算出されると、ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させる。この場合、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ供給されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達し、還元剤噴射弁２８が開弁する。
【０１２４】
ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整弁３０を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧未満となり、還元剤噴射弁２８が閉弁する。
【０１２５】
このように流量調整弁３０が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リッチ空燃比の混合気を形成して吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する。
【０１２６】
この結果、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸収と放出・還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【０１２７】
次に、本発明の要旨となるＰＭ燃焼制御について説明する。
【０１２８】
図５は、フィルタ２０を再生するときに行われるＰＭ燃焼制御のフローチャート図である。
【０１２９】
ステップ１０１では、ＰＭが所定量以上フィルタ２０に堆積し、再生の必要があるか否か判定する。
【０１３０】
まず、フィルタ２０の上流側に設置されたフィルタ上流圧力センサ３８の出力信号と下流側に設置されたフィルタ下流圧力センサ３９の出力信号とに基づいてフィルタ２０前後の差圧をＣＰＵ３５１が算出する。算出された差圧をＲＯＭ３５２に記憶されたフィルタ２０前後の差圧とＰＭ堆積量との関係を示す数値マップに代入してフィルタ２０に堆積したＰＭの量を求めることができる。
【０１３１】
また、フィルタ２０が再生されなかった時間、フィルタ２０が再生されなかった間に車両が走行した距離、等に基づいてＰＭの堆積量を推定してもよい。
【０１３２】
このようにして推定されたＰＭの堆積量が、所定量よりも多い場合は、フィルタの再生が必要である旨を示す数値をＲＡＭ３５３に記憶させる。このように、ＰＭ再生が必要である旨を示す数値をＲＡＭ３５３に記憶させた状態を図５では「ＰＭ再生フラグＯＮ」と表現している。また、推定されたＰＭの堆積量が、所定量以下の場合は、フィルタの再生が必要でない旨を示す数値をＲＡＭ３５３に記憶させる。このように、フィルタの再生が必要でない旨を示す数値をＲＡＭ３５３に記憶させた状態を図５では「ＰＭ再生フラグＯＦＦ」と表現している。
【０１３３】
ステップ１０２では、フィルタ再生可能条件が成立しているか否か判定する。具体的には、ＲＡＭ３５３に記憶された数値がフィルタの再生が必要である旨を示す数値か否かを判定する。フィルタの再生が必要である旨がＲＡＭ３５３に記憶されていればステップ１０３へ進み、フィルタの再生が必要でない旨がＲＡＭ３５３に記憶されていればステップ１０５へ進む。
【０１３４】
ステップ１０５では、フィルタの再生が必要でない旨を示す数値をＲＡＭ３５３に記憶させる。
【０１３５】
ステップ１０３では、ＰＭの燃焼制御を実行できる状態である否か判定する。このＰＭ燃焼制御実行条件としては、例えば、フィルタ２０が活性状態にあるか、排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下であるか、等の条件を例示することができる。フィルタ再生条件が成立していればステップ１０４へ進む。
【０１３６】
ステップ１０４では、フィルタ２０の再生を行うために副噴射が行われる。フィルタ２０の温度を早期に上昇させる手段として、内燃機関１の膨張行程中に燃料を副次的に噴射させる副噴射を行うことが有効である。このように膨張行程で燃料を噴射させるのは、圧縮行程中に行う燃料噴射は機関出力を上昇させ運転状態が悪化する虞があるためである。副噴射により噴射された燃料は気筒２内で燃焼し気筒２内のガス温度を上昇させる。温度が上昇したガスは排気となって排気管１９を通りフィルタ２０に到達し、フィルタ２０の温度を上昇させ、ＰＭが燃焼する。
【０１３７】
副噴射の量及び噴射時期は、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予めマップ化しておきＲＯＭ３５２に記憶させておけば、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。
【０１３８】
また、ステップ１０３でフィルタの再生条件が成立していなければステップ１０６へ進む。
【０１３９】
ステップ１０６では、ＰＭ再生フラグがＯＮになってから所定時間が経過しているか否か判定される。ＣＰＵ３５１はＰＭ再生フラグがＯＮになっている時間を算出し、ＲＯＭ３５２に記憶された所定の時間と比較して、ＰＭ再生フラグがＯＮになってからの経過時間が所定時間よりも長いか否か判定する。所定時間以上経過している場合は、ステップ１０８へ進み、所定時間以上経過していない場合は、ステップ１０７へ進む。
【０１４０】
ステップ１０６では、燃料の添加を禁止する旨の数値をＲＡＭ３５３に記憶させる。このように、燃料の添加を禁止する旨の数値をＲＡＭ３５３に記憶させた状態を図５では「燃料添加フラグＯＦＦ」と表現している。この状態では、所定量以上のＰＭがフィルタ２０に堆積しているため、燃料の添加を行うと燃料がＰＭに付着し目詰まりが進行するので、これを防止するために燃料の添加が禁止される。
【０１４１】
ステップ１０７では、燃料の添加をする旨の数値をＲＡＭ３５３に記憶させる。このように、燃料の添加をする旨の数値をＲＡＭ３５３に記憶させた状態を図５では「燃料添加フラグＯＮ」と表現している。この状態では、所定量以上のＰＭはフィルタ２０に堆積していないため、燃料添加が行われＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘが還元される。
【０１４２】
ステップ１０９では、高負荷時の気筒２内への燃料主噴射量を減量する。フィルタ２０に所定量以上のＰＭが堆積しているため、ＰＭの排出量を低減し目詰まりの進行を抑制する。
【０１４３】
一般に、高負荷時には、機関出力を増大させるために燃料の噴射量を増加させるが、燃料の噴射量が増加すると局所的に燃料の過濃な部分が発生し、不完全燃焼によってＰＭの排出量が増加する。そこで、機関出力となるための燃料の主噴射量を減量し、ＰＭの排出を低減する。
【０１４４】
燃料噴射量を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、予めＲＯＭ３５２に記憶させておいた燃料噴射量減量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した燃料噴射量（燃料噴射時間）を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値等に基づいて前記燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【０１４５】
ステップ１１０では、高負荷時のＥＧＲガス量を減量する。フィルタ２０に所定量以上のＰＭが堆積しているため、ＰＭの排出量を低減し目詰まりの進行を抑制する。
【０１４６】
一般に、高負荷時には、機関出力を増大させるために燃料の噴射量を増加させるが、ＥＧＲガス量が多いと局所的に燃料の過濃な部分が発生し、不完全燃焼によってＰＭの排出量が増加する。そこで、ＥＧＲガス量を減量し、ＰＭの排出を低減する。
【０１４７】
ここで、ＣＰＵ３５１は、予めＲＯＭ３５２に記憶させておいた機関回転数とアクセル開度とをパラメータとするＥＧＲ減量弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標ＥＧＲ減量弁開度を算出しＥＧＲ弁フィードバック制御を行う。
【０１４８】
このようにして、フィルタ２０に堆積したＰＭ量に基づいてフィルタ２０の再生の実行若しくは禁止が選択され、再生が実行されときにはＰＭは燃焼され、再生が禁止されたときには、ＰＭが更に堆積して目詰まりを進行させることを抑制することができる。
【０１４９】
次に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するための燃料添加制御について説明する。
【０１５０】
図６は、フィルタ２０に担持された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の吸蔵されたＮＯｘを還元するときのフローチャート図である。
【０１５１】
ステップ２０１では、フィルタ再生可能条件が成立しているか否か判定する。具体的には、ＲＡＭ３５３に記憶された数値が還元剤たる燃料の添加が必要である旨を示す数値か否かを判定する。燃料の添加が必要である旨がＲＡＭ３５３に記憶されていればステップ２０２へ進み、燃料の添加が必要でない旨がＲＡＭ３５３に記憶されていればステップ２０４へ進む。ステップ２０４では、燃料の添加が必要でない旨を示す数値をＲＡＭ３５３に記憶させる。
【０１５２】
ステップ２０２では、還元剤噴射弁２８から燃料を添加するリッチスパイク制御を実行できる状態である否か判定する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が活性状態にあるか、排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下であるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。リッチスパイク制御実行条件が成立していればステップ２０３へ進み、成立していなければステップ２０４へ進む。
【０１５３】
ステップ２０３では、ＣＰＵ３５１は、還元剤噴射弁２８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とするリッチスパイク制御を行う。
【０１５４】
この結果、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸収と放出・還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【０１５５】
このようにして、フィルタ２０にＰＭが所定量以上堆積していないときにのみ燃料添加制御を行い、目詰まりの進行を抑制することができる。
＜第２の実施の形態＞
本発明に係る第２の実施の形態は、第１の実施の形態と比較してフィルタ２０及びＮＯｘ触媒の温度を上昇させる手段が異なる。
【０１５６】
第１の実施の形態においては、副噴射及び還元剤噴射弁２８からの燃料添加が用いられていたが、本実施の形態においては、内燃機関１が特に低回転低負荷で運転しているときに限り温間時は低温燃焼、冷間時は副噴射を用いる。
【０１５７】
ここで、低温燃焼について説明する。
【０１５８】
従来より内燃機関においてＮＯｘの発生を抑制するためにＥＧＲが用いられてきた。ＥＧＲガスは、比較的比熱比が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、吸気中におけるＥＧＲガス割合が高くなるほど気筒２内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘの発生量も低下するので、ＥＧＲガス割合が高くなればなるほどＮＯｘの排出量を低下させることができる。
【０１５９】
しかし、ＥＧＲガス割合を高くしていくとある割合以上で急激に煤の発生量が増大し始める。通常のＥＧＲ制御は煤が急激に増大し始めるよりも低いＥＧＲガス割合のところで行われている。
【０１６０】
ところが、更にＥＧＲガス割合を高くしていくと、上述したように煤が急激に増大するが、この煤の発生量にはピークが存在し、このピークを越えて更にＥＧＲガス割合を高くすると、今度は煤が急激に減少し始め、ついにはほとんど発生しなくなる。
【０１６１】
これは、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がある温度以下のときには炭化水素（ＨＣ）の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料及びその周囲のガス温度がある温度以上になると炭化水素（ＨＣ）は一気に煤まで成長してしまうためである。
【０１６２】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃焼及びその周囲のガス温度を炭化水素（ＨＣ）の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤は発生しなくなる。この場合、燃料及びその周囲のガス温度は、燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量即ちＥＧＲガス割合を調整することによって煤の発生を抑制することが可能となる。
【０１６３】
一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素（ＨＣ）は、ＮＯｘ吸収剤等を用いて浄化することができる。
【０１６４】
このように、低温燃焼では、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素（ＨＣ）をＮＯｘ吸収剤等により浄化することを基本としている。従ってＮＯｘ吸収剤等が活性化していないときには、炭化水素（ＨＣ）は浄化されずに大気中へ放出しされてしまうために低温燃焼を用いることはできない。
【０１６５】
また、気筒２内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素（ＨＣ）の成長が途中で停止する温度以下に制御しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。
【０１６６】
従って、本発明においては、内燃機関１が低回転低負荷で運転されているときで且つフィルタ２０に担持されたＮＯｘ触媒が活性温度に達している温間時に限り低温燃焼制御を行うこととした。
【０１６７】
ＮＯｘ触媒が活性温度に達しているか否かは排気温度センサ２４の出力信号に基づいて判定することができる。
【０１６８】
このようにして、低温燃焼では、煤に代表されるＰＭの排出が抑制されるため、フィルタ２０の目詰まりを進行させることなくＮＯｘ触媒へＨＣを供給できる。ＮＯｘ触媒ではＨＣが燃焼され、その熱によりフィルタ２０の温度が上昇する。
【０１６９】
また、ＮＯｘ触媒が活性温度に達していないときは副噴射を行いフィルタ２０及びＮＯｘ触媒の温度を上昇させることとした。副噴射により噴射された燃料は気筒２内で燃焼し気筒２内のガス温度を上昇させる。温度が上昇したガスは排気となって排気管１９を通りフィルタ２０に到達し、フィルタ２０の温度を上昇させる。また、このときに排出されるＨＣは十分にガス化されており、フィルタ２０に捕集されて目詰まりの原因とはなりにくいものである。
【０１７０】
このように副噴射を用いるとＮＯｘ触媒の温度を早期に上昇させることができるが、燃料を多く消費するので、燃費改善のため内燃機関１が低回転低負荷で運転されているときは、ＮＯｘ触媒が活性温度に達していない冷間時に限り副噴射を行うこととした。
【０１７１】
この副噴射及び低温燃焼は、図５の第１の実施の形態におけるＰＭ燃焼制御中のステップ１０４及び燃料添加制御中のステップ２０３で行われる。また、内燃機関１が低回転低負荷で運転されていないときには、通常のＰＭ燃焼制御及び燃料添加制御が行われる。
【０１７２】
このようにして、内燃機関１が低回転低負荷で運転していてフィルタ２０及びＮＯｘ触媒の温度が上昇しづらいときでも、ＨＣの排出を抑制しつつ早期に温度上昇させ、ＰＭの燃焼及びＮＯｘの還元を行うことができる。
＜第３の実施の形態＞
本発明に係る第３の実施の形態は、第１の実施の形態と比較してフィルタ２０と吸蔵還元型ＮＯｘ触媒３７との位置関係が異なる。
【０１７３】
第１の実施の形態においては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒はフィルタ２０に担持されていたが、第３の実施の形態においては、図７に示すようにフィルタ２０の下流に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒３７を配置した。
【０１７４】
このように構成された排気浄化装置では、内燃機関１から排出された排気中に含まれるＰＭは上流のフィルタ２０によって捕集されるので、下流にあるＮＯｘ触媒３７にＰＭが付着することがなく、ＮＯｘ還元能力が低下せずに済む。
【０１７５】
しかし、ＮＯｘ触媒３７よりも上流に設置されたフィルタ２０には、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＮＯｘを還元するために排気中へ添加された還元剤たる燃料が付着する。このときフィルタ２０にＰＭが堆積していると、堆積したＰＭに燃料が付着し、燃料もＰＭと共にフィルタ２０に堆積してしまう。このようにして目詰まりが進行し、フィルタ２０の抵抗が大きくなるとフィルタ２０上流の排気の圧力が増大し、フィルタ２０の毀損及び機関出力の低下を誘発する。
【０１７６】
そこで、ＰＭが所定量以上フィルタ２０に堆積している場合には、ＮＯｘ触媒３７に燃料を添加する前にフィルタ２０に堆積したＰＭを除去することとした。
【０１７７】
ＰＭの堆積量を判定する方法や、ＰＭ燃焼制御、燃料添加制御等は第１の実施の形態と共通なので説明は割愛する。
【０１７８】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、窒素酸化物吸収剤に吸収された窒素酸化物を還元するための還元剤がフィルタに付着して目詰まりが進行することを防止できる。
【０１７９】
よって、目詰まりによるフィルタの毀損や機関出力の低下を防止し、フィルタの機能を長期に亘って維持することができ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】（Ａ）は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収メカニズムを説明する図である。（Ｂ）は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出メカニズムを説明する図である。
【図３】ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図である。（Ｂ）は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図５】ＰＭ燃焼制御のフローチャート図である。
【図６】燃料添加制御のフローチャート図である。
【図７】第３の実施の形態に係るフィルタと吸蔵還元型ＮＯｘ触媒との位置関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・パティキュレートフィルタ
２１・・・排気絞り弁
２３・・・空燃比センサ
２５・・・ＥＧＲ通路
２６・・・ＥＧＲ弁
２７・・・ＥＧＲクーラ
２８・・・還元剤噴射弁
２９・・・還元剤供給路
３０・・・流量調整弁
３１・・・遮断弁
３２・・・還元剤圧力センサ
３３・・・クランクポジションセンサ
３４・・・水温センサ
３５・・・ＥＣＵ
３７・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
３８・・・フィルタ上流圧力センサ
３９・・・フィルタ下流圧力センサ
３５１・・ＣＰＵ
３５２・・ＲＯＭ
３５３・・ＲＡＭ
３５４・・バックアップＲＡＭ
５０・・・排気流入通路
５１・・・排気流出通路
５４・・・隔壁

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、
   内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる窒素酸化物を吸収する窒素酸化物吸収剤と、
   前記窒素酸化物吸収剤に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記フィルタに堆積した粒子状物質の量を推定する堆積状態推定手段と、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記堆積状態推定手段が所定量以上の粒子状物質が堆積していると推定し且つ前記運転状態検出手段により検出された内燃機関の運転状態が所定条件を満たした場合に堆積した粒子状物質を除去して前記フィルタの再生を行うフィルタ再生手段と、
   を具備し、
   前記堆積状態推定手段がフィルタ再生の条件である所定量以上の粒子状物質がフィルタに堆積していると推定したにもかかわらず前記運転状態検出手段で検出された運転状態が所定条件を満たさないために所定期間以上フィルタの再生が行われない場合には、前記フィルタに堆積した粒子状物質の除去が完了するまで前記還元剤供給手段による還元剤の供給を行わないことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記運転状態検出手段により検出された運転状態が所定条件を満たしていないためにフィルタの再生が行われていないときに、前記内燃機関が高負荷状態になった場合には、前記内燃機関に供給する燃料を減量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。
3. 排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させるＥＧＲ装置を具備し、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が所定条件を満たしていないためにフィルタの再生が行われていないときに、ＥＧＲガス量を減量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。
4. 前記還元剤供給手段は、内燃機関の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加ノズルであり、また、前記フィルタ再生手段は、内燃機関へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射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。
5. 前記窒素酸化物吸収剤が前記フィルタに担持され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。
6. 前記フィルタが前記窒素酸化物吸収剤よりも排気通路の上流に設置され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。
7. 前記内燃機関が低回転低負荷で運転されているときで、前記内燃機関が温間状態にあるときは、通常よりもＥＧＲガス量を増量し、また、前記内燃機関が冷間状態にあるときは、内燃機関へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射を行いフィルタ又は窒素酸化物吸収剤の温度を上昇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。

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