JP3891034B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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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する。
【０００２】
【従来の技術】
リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路から分岐して環状に延びた後に排気通路に戻る環状通路内に、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを配置し、排気ガスを環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出する順流位置と、排気ガスを環状通路の他端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の一端から環状通路の他端よりも下流の排気通路内に流出する逆流位置と、排気ガスの一部を環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に排気ガスが流出し、かつ残りの排気ガスが環状通路を迂回して排気通路内を流通する弱順流位置との間を切替可能な切替弁を具備し、前記一端とパティキュレートフィルタ間の環状通路内に二次燃料供給弁を配置し、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を弱順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２００１−３１７３３８号公報参照）。二次燃料供給弁から供給された二次燃料はパティキュレートフィルタ内で酸化され、従ってパティキュレートフィルタの温度が上昇せしめられる。
【０００３】
切替弁が弱順流位置に保持されるとパティキュレートフィルタにおける排気ガスの空間速度が低下し、詳しくは後述するがその結果、このとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において二次燃料のうちの大部分が酸化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このことはパティキュレートフィルタの温度が局所的に上昇されることを意味しており、即ちパティキュレートフィルタの温度を一様に上昇させることができないということになる。
【０００５】
確かに、パティキュレートフィルタ内を流通する排気ガスでもって、上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分から下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分に向かう熱移動が生じ、下流側部分の温度も時間の経過と共に上昇すると考えることもできる。しかしながら、このとき切替弁が弱順流位置に保持されているので、下流側部分の温度が上昇するまでに比較的長い時間を要する。即ち、パティキュレートフィルタの温度を速やかに一様に上昇させることができないという問題点がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、パティキュレートフィルタの温度を速やかに上昇させ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にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路から分岐して環状に延びた後に排気通路に戻る環状通路内に、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを配置し、機関から排出された全ての排気ガスが環状通路の一端から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出する順流位置と、機関から排出された全ての排気ガスが環状通路の他端から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の一端から環状通路の他端よりも下流の排気通路内に流出する逆流位置との間を切替可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置において、前記一端とパティキュレートフィルタ間の環状通路内にパティキュレートフィルタに二次燃料を供給するための二次燃料供給弁を配置し、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給してこのとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分におけるよりも多くの量の二次燃料が下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において酸化されるようにする順流昇温制御が行われ、次いでパティキュレートフィルタへの二次燃料供給作用を停止すると共に切替弁を逆流位置に切り替えて保持し、パティキュレートフィルタ内に流入した排気ガスでもってこのとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分から下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分に向かう熱移動が生ずるようにする逆流昇温制御が行われる。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために順流昇温制御と逆流昇温制御とが交互に繰り返し行われる。
【０００９】
また、３番目の発明によれば１番目又は２番目の発明において、順流昇温制御から逆流昇温制御に又は逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期がパティキュレートフィルタの温度に基づいて定められる。
【００１０】
また、４番目の発明によれば１番目又は２番目の発明において、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替える時期及び逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期が、順流昇温制御が行われた時間及び逆流昇温制御が行われた時間にそれぞれ基づいて定められる。
【００１１】
また、５番目の発明によれば１番目の発明において、切替弁が弱順流位置に位置せしめられると排気ガスの一部が環状通路から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出し、かつ残りの排気ガスが環状通路を迂回して排気通路内を流通するようになっており、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を弱順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給してこのとき排気ガス流れに関し下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分におけるよりも多くの量の二次燃料が上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において酸化されるようにする予熱制御が順流昇温制御に先立って行われる。
【００１２】
また、６番目の発明によれば１番目の発明において、順流昇温制御が行われている時間及び逆流昇温制御が行われている時間がそれぞれ、順流昇温制御及び逆流昇温制御が行われていないときに切替弁が順流位置に保持されている時間及び逆流位置に保持されている時間よりも短くなっている。
【００１３】
また、７番目の発明によれば１番目の発明において、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒が前記パティキュレートフィルタ上に担持されている。
また、８番目の発明によれば３番目の発明において、順流昇温制御から逆流昇温制御に又は逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を、排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分と下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分との温度差に基づいて定めている。
【００１４】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯとの比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を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。
【００１６】
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内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１７】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管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の出口は排気管２０ａを介して触媒コンバータ２２に接続される。
【００１８】
図１と共に図２を参照すると、触媒コンバータ２２はステップモータ６０により駆動される切替弁６１を具備し、この切替弁６１の流入ポート６２に排気管２０ａの出口が接続される。また、流入ポート６２に対向する切替弁６１の流出ポート６３には触媒コンバータ２２の排気ガス排出管６４が接続される。切替弁６１は更に、流入ポート６２及び流出ポート６３を結ぶ直線の両側において互いに対向する一対の流入流出ポート６５，６６を有しており、これら流入流出ポート６５，６６には触媒コンバータ２２の環状排気管６７の両端がそれぞれ接続される。なお、排気ガス排出管６４の出口には排気管２３が接続される。
【００１９】
環状排気管６７は排気ガス排出管６４を貫通して延びており、環状排気管６７の排気ガス排出管６４内に位置する部分にはフィルタ収容室６８が形成される。このフィルタ収容室６８内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ６９が収容される。なお、図２において６９ａ及び６９ｂはパティキュレートフィルタ６９の一端面及び他端面をそれぞれ示している。
【００２０】
パティキュレートフィルタ６９の一端面６９ａを含む触媒コンバータ２２の部分縦断面図を示す図２（Ａ）、及び触媒コンバータ２２の部分横断面図を示す図２（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ６９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ガス通路７０，７１を具備する。これら排気ガス通路は一端が開放されかつ他端がシール材７２により閉塞されている排気ガス通路７０と、他端が開放されかつ一端がシール材７３により閉塞されている排気ガス通路７１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分はシール材７３を示している。これら排気ガス通路７０，７１は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁７４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路７０，７１は各排気ガス通路７０が４つの排気ガス通路７１によって包囲され、各排気ガス通路７１が４つの排気ガス通路７０によって包囲されるように配置される。
【００２１】
パティキュレートフィルタ６９上には後述するようにＮＯＸ触媒８１が担持されている。一方、切替弁６１の流出ポート６３と環状排気管６７が貫通している部分との間の排気ガス排出管６４内には触媒収容室７５が形成されており、この触媒収容室７５内にはハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する触媒７６が収容される。
【００２２】
また、切替弁６１の流入流出ポート６５とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７にはパティキュレートフィルタ６９に二次燃料を供給するための電気制御式二次燃料供給弁７７が取り付けられる。二次燃料供給弁７７には電気制御式の二次燃料ポンプ７８から二次燃料が供給される。本発明による実施例では二次燃料として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。また、二次燃料は後述するように還元剤としても作用する。なお、本発明による実施例では流入流出ポート６６とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７に二次燃料供給弁が配置されていない。
【００２３】
更に図１を参照すると、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を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式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内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２４】
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。
【００２５】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６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４７を介して入力ポート４５に入力される。
【００２６】
パティキュレートフィルタ６９の両端面にはそれぞれ対応する端面周りのパティキュレートフィルタ部分の温度を検出するための温度センサ４８ａ，４８ｂが取り付けられ、これら温度センサ４８ａ，４８ｂの出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。排気管２０には排気管２０内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ４９が取り付けられ、圧力センサ４９の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５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５２が接続される。
【００２７】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８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、切替弁駆動用ステップモータ６０、二次燃料供給弁７７、及び二次燃料剤ポンプ７８にそれぞれ接続される。
【００２８】
切替弁６１は通常、図３（Ｂ）において実線で示される位置と破線で示される位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁６１が図３（Ｂ）において実線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６６との連通が遮断されながら流入流出ポート６５に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６６に連通される。その結果、図３（Ｂ）において実線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６５を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６６及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排気出管６４内に流出する。
【００２９】
これに対し、切替弁６１が図３（Ｂ）において破線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６５との連通が遮断されながら流入流出ポート６６に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６５に連通される。その結果、図３（Ｂ）において破線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６６を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６５及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排出管６４内に流出する。
【００３０】
このように切替弁６１の位置を切り替えることによって環状排気管６７内における排気ガスの流れが反転する。以下では、図３（Ｂ）において実線で示される排気ガスの流れを順流と称し、破線で示される排気ガスの流れを逆流と称することにする。また、図３（Ｂ）において実線で示される切替弁６１の位置を順流位置と称し、破線で示される切替弁６１の位置を逆流位置と称する。
【００３１】
流出ポート６６を介し排気ガス排出管６４内に流出した排気ガスは図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、次いで触媒７６を通過し、環状排気管６７の外周面に沿いつつ進行した後に排気管２３内に流出する。
【００３２】
パティキュレートフィルタ６９における排気ガスの流れを説明すると、順流時には排気ガスは一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは一端面６９ａ内に開口している排気ガス通路７０内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７１内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは他端面６９ｂ内に開口している排気ガス通路７１内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７０内に流出する。
【００３３】
パティキュレートフィルタ６９の隔壁７４上即ち例えば隔壁７４の両側面及び細孔内壁面上には、図４に示されるようにＮＯＸ触媒８１がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒８１は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ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と、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００３４】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００３５】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００３６】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００３７】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００３８】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００３９】
一方、比較的小容量の触媒７６を上述したＮＯＸ触媒から形成してもよく、又はアルカリ金属、アルカリ土類、及び希土類を含むことなく貴金属を含む貴金属触媒からそれぞれ形成してもよい。
【００４０】
上述したように順流時であろうと逆流時であろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ６９を通過する。また、図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯＸはパティキュレートフィルタ６９上のＮＯＸ触媒８１内に蓄えられる。
【００４１】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために二次燃料供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に二次燃料即ち還元剤を一時的に供給するようにしている。この場合、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００４２】
一方、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ６９上に捕集される。即ち、概略的に説明すると、順流時には排気ガス通路７０側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集され、逆流時には排気ガス通路７１側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、また、ＮＯＸ触媒８１は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ６９上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００４３】
この場合、上述したＮＯＸ触媒８１のＮＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒８１内にＮＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ６９上にＮＯＸ触媒８１を担持させると、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００４４】
ところが、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ６９の圧損が増大する。
【００４５】
そこで本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ６９の温度が２５０℃よりも低くなると、パティキュレートフィルタ６９の温度を２５０℃まで上昇させ２５０℃以上に維持する昇温制御が行われる。
【００４６】
このような昇温制御を行っても、単位時間当たりにパティキュレートフィルタ６９内に流入する微粒子の量がかなり多くなるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積する微粒子の量が次第に増大する。
【００４７】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときには切替弁６１を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えると共に、パティキュレートフィルタ６９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ６９の温度を６００℃以上まで上昇し次いで６００℃以上に維持する昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。この場合、排気ガスの流れが反転されているので、微粒子が燃焼することにより形成される灰がパティキュレートフィルタ６９から容易に除去される。なお、図１に示される内燃機関では、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されているときに圧力センサ４９により検出される機関背圧が許容値を越えたときにパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたと判断される。
【００４８】
ここで、パティキュレートフィルタ６９は環状排気管６７のほぼ中央部に配置されており、即ち切替弁６１の流入ポート６２からパティキュレートフィルタ６９までの距離と、パティキュレートフィルタ６９から流出ポート６３までの距離とが切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらない。このことはパティキュレートフィルタ６９の状態例えば温度が切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらないことを意味しており、従って切替弁６１の位置に応じた特別な制御を必要としない。
【００４９】
次に、図５及び図６を参照して本発明による実施例の昇温制御について説明する。なお、説明を簡単にするために、切替弁６１が順流位置に保持されているときに排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ６９の部分を上流側フィルタ部分６９ｕと称し、下流側に位置するパティキュレートフィルタ６９の部分を下流側フィルタ部分６９ｄと称することにする（図２参照）。この場合、温度センサ４８ａ，４８ｂは上流側フィルタ部分６９ｕ及び下流側フィルタ部分６９ｄの温度をそれぞれ検出していることになる。また、切替弁６１が逆流位置に保持されると排気ガスはまず下流側フィルタ部分６９ｄ内を流通し、次いで上流側フィルタ部分６９ｕ内を流通することになる。
【００５０】
図５において矢印Ｘは昇温制御を実行すべきであると判断されたときを示している。昇温制御を実行すべきときにはまず順流昇温制御が行われる。順流昇温制御では、切替弁６１が順流位置に保持されつつ、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されるように二次燃料供給弁７７から二次燃料が供給される。この場合、二次燃料供給弁７７からパティキュレートフィルタ６９までの距離が比較的短いので、二次燃料はパティキュレートフィルタ６９に到るまでに排気ガスによって十分に加熱されず、パティキュレートフィルタ６９内に流入するときの二次燃料の温度はさほど高くない。このため、二次燃料は上流側フィルタ部分６９ｕではほとんど酸化されず、排気ガスによって下流側フィルタ部分６９ｄまで運ばれた後に下流側フィルタ部分６９ｄにおいて酸化される。或いは、このときパティキュレートフィルタ６９内には内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入しているのでパティキュレートフィルタ６９における排気ガスの空間速度が比較的高く、従って二次燃料は比較的短時間のうちに下流側フィルタ部分６９ｄまで進行し、下流側フィルタ部分６９ｄにおいて酸化される。従って、上流側フィルタ部分６９ｕにおけるよりも多くの量の二次燃料が下流側フィルタ部分６９ｄにおいて酸化されることになる。
【００５１】
その結果、図５に示されるように下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤが速やかに上昇する。一方、上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵはわずかに上昇し、従って温度差ΔＴ（＝ＴＤ−ＴＵ、順流昇温制御時）が次第に大きくなる。
【００５２】
次いで、この温度差ΔＴがしきい値ＴＦを越えると逆流昇温制御に切り替えられる。即ち、パティキュレートフィルタ６９への二次燃料供給作用が停止されると共に切替弁６１が逆流位置に切り替えられて保持される。この場合、パティキュレートフィルタ６９内に流入した排気ガスが下流側フィルタ部分６９ｄによって加熱され、次いでこの加熱された排気ガスが上流側フィルタ部分６９ｕに到って上流側フィルタ部分６９ｕを加熱する。言い換えると、パティキュレートフィルタ６９内に流入した排気ガスでもって下流側フィルタ部分６９ｄから上流側フィルタ部分６９ｕに向かう熱移動が生ずることになる。
【００５３】
この場合、パティキュレートフィルタ６９内には内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入しているので熱移動速度が高くなる。即ち、パティキュレートフィルタ６９の温度を速やかに上昇させることができる。また、二次燃料供給作用を停止しながらパティキュレートフィルタ６９の温度が上昇されるので、パティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させるために必要な二次燃料の量を低減することができる。更に、このとき二次燃料供給作用が停止されるので、二次燃料が流入流出ポート６５から排気ガス排出管６４内に排出されるのが阻止される。
【００５４】
その結果、図５に示されるように上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵが速やかに上昇する。一方、下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤは次第に低下する。次いで、温度差ΔＴ（＝ＴＵ−ＴＤ、逆流昇温制御時）がしきい値ＴＲを越えると順流昇温制御に切り替えられる。
【００５５】
このようにして順流昇温制御と逆流昇温制御とを交互に繰り返し行い、上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵ及び下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤを速やかに上昇させる。これが本発明による実施例の基本的な考え方である。
【００５６】
次いで、例えばパティキュレートフィルタ６９の平均温度、即ち上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵ及び下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤの平均値が目標温度を越えると昇温制御を実行すべきでないと判断され、即ち昇温制御が停止される。
【００５７】
順流昇温制御から逆流昇温制御に又はその逆に切り替える時期を定める方法には様々な方法がある。図５に示される例では、温度差ΔＴに基づいて順流昇温制御から逆流昇温制御に又はその逆に切り替える時期が定められている。ここで、しきい値ＴＦ，ＴＲを定める方法にも様々な方法がある。図５に示される例では、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えるときのしきい値ＴＦは昇温制御の切り替え回数が多くなるにつれて小さくなり、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替えるときのしきい値ＴＲは一定に保持されている。
【００５８】
順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替える時期を、下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤ又は上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵに基づいて定めることもできる。この場合、例えば下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤがしきい値よりも高くなったとき、又は上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵよりも低くなったときに、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えられる。同様に、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤ又は上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵに基づいて定めることができる。
【００５９】
或いは、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替える時期及び逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を、順流昇温制御が行われた時間ｔＦ及び逆流昇温制御が行われた時間ｔＲにそれぞれ基づいて定めることもできる（図５参照）。この場合、例えば順流昇温制御が行われた時間ｔＦが予め定められた設定時間になると逆流昇温制御に切り替えられる。このようにすると、昇温制御のために温度センサ４８ａ，４８ｂを必要としない。
【００６０】
一方、上述したように、例えばパティキュレートフィルタ６９の温度が目標温度を越えると昇温制御が停止される。従って、順流昇温制御と逆流昇温制御とが１回ずつだけ行われる場合もあれば、順流昇温制御のみが行われ逆流昇温制御が行われない場合もある。即ち、順流昇温制御と逆流昇温制御とは必ずしも繰り返されない。
【００６１】
また、図５に示される実施例では、順流昇温制御が行われる期間の全体に亘って、継続的に又は間欠的に二次燃料が供給される。しかしながら、順流昇温制御中に二次燃料供給作用を一時的に停止することもできる。例えば、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられる直前に供給された二次燃料はパティキュレートフィルタ６９内で酸化されることなく排気ガス排出管６４内に排出される恐れがある。これを解決するために、順流昇温制御の末期に二次燃料供給作用を一時的に停止することもできる。
【００６２】
図６は上述した昇温制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００６３】
図６を参照すると、まずステップ１００では昇温制御を実行すべきか否かが判別される。昇温制御を実行すべきでないときには次いでステップ１０１に進み、通常制御が実行される。これに対し、昇温制御を実行すべきときには次いでステップ１０２に進み、現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているか否かが判別される。ステップ１００からステップ１０２に初めて進んだときには順流昇温制御も逆流昇温制御も未だ開始されていないので、次いでステップ１０３に進み、順流昇温制御が実行される。
【００６４】
現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているときにはステップ１０２からステップ１０４に進み、現在、順流昇温制御が行われているか否かが判別される。現在、順流昇温制御が行われているときには次いでステップ１０５に進み、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。逆流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ１０３に進んで順流昇温制御を継続し、逆流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ１０６に進んで、逆流昇温制御が開始される。
【００６５】
一方、ステップ１０４において、現在、逆流昇温制御が行われているときには次いでステップ１０７に進み、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。順流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ１０６に進んで逆流昇温制御を継続し、順流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ１０３に進んで、順流昇温制御が開始される。
【００６６】
次いで、例えばパティキュレートフィルタ６９の温度が目標温度を越えるとステップ１００で昇温制御を実行すべきでないと判断され、通常制御が再開される（ステップ１０２）。即ち、昇温制御が停止される。
【００６７】
ところで、通常制御では上述したように、パティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えると切替弁６１が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる。そうすると、昇温制御時にはパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量に関わらず切替弁６１が切り替えられるということになる。この場合、順流昇温制御が行われている時間及び逆流昇温制御が行われている時間はそれぞれ、通常制御時に切替弁が順流位置に保持されている時間及び逆流位置に保持されている時間よりも短くなっている。
【００６８】
次に、本発明による別の実施例を説明する。
【００６９】
本発明による別の実施例では、パティキュレートフィルタ６９の昇温制御を行うべきときには、順流昇温制御を開始するのに先立って予熱制御が実行される。この予熱制御について図７及び図８を参照しながら説明する。
【００７０】
即ち、図７に示されるように昇温制御を実行すべきであると判断されると（矢印Ｘ）、まず予熱制御が実行される。この予熱制御では、切替弁６１が弱順流位置に保持されつつ、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されるように二次燃料供給弁７７から二次燃料が供給される。
【００７１】
切替弁６１が弱順流位置に保持されると、図８に矢印で示されるように内燃機関から排出された排気ガスの大部分が流入ポート６２から流出ポート６３を介し直接的に排気ガス排出管６４内に流出し即ちパティキュレートフィルタ６９を迂回し、残りのわずかな一定量の排気ガスが流入流出ポート６５を介し環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９内を順流方向に流通する。即ち、切替弁６１を弱順流位置に保持すると、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持された場合に比べてパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの量が低減され、パティキュレートフィルタ６９における排気ガスの空間速度が低下する。
【００７２】
このとき二次燃料供給弁７７から供給された二次燃料は比較的長い時間、上流側フィルタ部分６９ｕ内にとどまり、次第にその温度が上昇し、ついには上流側フィルタ部分６９ｕにおいて酸化される。これにより上流側フィルタ部分６９ｕの温度が高くなると、パティキュレートフィルタ６９内に新たに流入する二次燃料が上流側フィルタ部分６９ｕで次々と酸化され、上流側フィルタ部分６９ｕの温度が更に上昇する。従って、この場合には、下流側フィルタ部分６９ｄにおけるよりも多くの量の二次燃料が上流側フィルタ部分６９ｕにおいて酸化されることになる。
【００７３】
その結果、図７に示されるように上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵが上昇する。この場合、ゆっくりと流れる排気ガスでもって、上流側フィルタ部分６９ｕから下流側フィルタ部分６９ｄに向かう熱移動が生じ、それによって、図８に示されるように下流側フィルタ部分６９ｄの温度がゆっくりと上昇する。
【００７４】
次いで、例えば予熱制御が一定時間だけ行われると順流昇温制御が開始される。このとき、図５に示される例と比べて、上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵも下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤも高くなっており、従ってパティキュレートフィルタ６９の温度を速やかに上昇させることができる。なお、予熱制御から順流昇温制御に切り替える時期をパティキュレートフィルタ６９の温度に基づいて定めることもできる。
【００７５】
図９は上述した別の実施例による昇温制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００７６】
図９を参照すると、まずステップ２００では昇温制御を実行すべきか否かが判別される。昇温制御を実行すべきでないときには次いでステップ２０１に進み、通常制御が実行される。これに対し、昇温制御を実行すべきときには次いでステップ２０２に進み、現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているか否かが判別される。ステップ２００からステップ２０２に初めて進んだときには順流昇温制御も逆流昇温制御も未だ開始されていないので、次いでステップ２０２ａに進み、予熱制御が行われる。予熱制御が例えば一定時間だけ行われると次いでステップ２０３に進み、順流昇温制御が実行される。
【００７７】
現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているときにはステップ２０２からステップ２０４に進み、現在、順流昇温制御が行われているか否かが判別される。現在、順流昇温制御が行われているときには次いでステップ２０５に進み、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。逆流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ２０３に進んで順流昇温制御を継続し、逆流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ２０６に進んで、逆流昇温制御が開始される。
【００７８】
一方、ステップ２０４において、現在、逆流昇温制御が行われているときには次いでステップ２０７に進み、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。順流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ２０６に進んで逆流昇温制御を継続し、順流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ２０３に進んで、順流昇温制御が開始される。
【００７９】
次いで、例えばパティキュレートフィルタ６９の温度が目標温度を越えるとステップ２００で昇温制御を実行すべきでないと判断され、通常制御が再開される（ステップ２０２）。
【００８０】
これまで述べてきた実施例ではパティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させるために本発明が適用されている。しかしながら、パティキュレートフィルタ６９上に担持されたＮＯＸ触媒８１の温度を上昇させるために本発明を適用することもできる。
【００８１】
具体的には、ＮＯＸ触媒８１の温度が例えば２００℃以上に維持されていれば、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化率は許容下限値よりも高く維持される。しかしながら、ＮＯＸ触媒８１の温度が低くなると上述したＮＯＸの酸化反応又は還元反応が起こりにくくなり、従ってＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化率が許容下限値よりも低くなる。
【００８２】
そこで、ＮＯＸ触媒８１の温度即ちパティキュレートフィルタ６９の温度を、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化率が許容下限値よりも高く維持される温度以上に維持するために、上述した昇温制御を行うこともできる。
【００８３】
或いは、ＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているイオウ分の量を低減するためにも上述した昇温制御を行うことができる。即ち、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒８１内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒８１内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには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、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒８１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４ −の形でＮＯＸ触媒８１内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００８４】
この硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量が増大し、その結果ＮＯＸ触媒８１が蓄えうるＮＯＸの量が減少することになる。
【００８５】
しかしながら、ＮＯＸ触媒８１の温度を５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると、ＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒８１から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒８１からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００８６】
そこで、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるべく、ＮＯＸ触媒８１の温度を５５０℃まで上昇し次いで５５０℃以上に維持するために、上述した昇温制御を行うことができる。この場合、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００８７】
【発明の効果】
パティキュレートフィルタの温度を速やかに上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】触媒コンバータの構造を示す図である。
【図３】切替弁が順流位置又は逆流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図４】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図５】昇温制御を説明するための図である。
【図６】昇温制御を実行するためのフローチャートである。
【図７】本発明による別の実施例の昇温制御を説明するための図である。
【図８】切替弁が弱順流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図９】本発明による別の実施例の昇温制御を実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ…排気管
２２…触媒コンバータ
６１…切替弁
６７…環状排気管
６９…パティキュレートフィルタ
７７…二次燃料供給弁
８１…ＮＯＸ触媒
【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】
リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路から分岐して環状に延びた後に排気通路に戻る環状通路内に、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを配置し、排気ガスを環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出する順流位置と、排気ガスを環状通路の他端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の一端から環状通路の他端よりも下流の排気通路内に流出する逆流位置と、排気ガスの一部を環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に排気ガスが流出し、かつ残りの排気ガスが環状通路を迂回して排気通路内を流通する弱順流位置との間を切替可能な切替弁を具備し、前記一端とパティキュレートフィルタ間の環状通路内に二次燃料供給弁を配置し、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を弱順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２００１−３１７３３８号公報参照）。二次燃料供給弁から供給された二次燃料はパティキュレートフィルタ内で酸化され、従ってパティキュレートフィルタの温度が上昇せしめられる。
【０００３】
切替弁が弱順流位置に保持されるとパティキュレートフィルタにおける排気ガスの空間速度が低下し、詳しくは後述するがその結果、このとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において二次燃料のうちの大部分が酸化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このことはパティキュレートフィルタの温度が局所的に上昇されることを意味しており、即ちパティキュレートフィルタの温度を一様に上昇させることができないということになる。
【０００５】
確かに、パティキュレートフィルタ内を流通する排気ガスでもって、上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分から下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分に向かう熱移動が生じ、下流側部分の温度も時間の経過と共に上昇すると考えることもできる。しかしながら、このとき切替弁が弱順流位置に保持されているので、下流側部分の温度が上昇するまでに比較的長い時間を要する。即ち、パティキュレートフィルタの温度を速やかに一様に上昇させることができないという問題点がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、パティキュレートフィルタの温度を速やかに上昇させ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にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路から分岐して環状に延びた後に排気通路に戻る環状通路内に、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを配置し、機関から排出された全ての排気ガスが環状通路の一端から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出する順流位置と、機関から排出された全ての排気ガスが環状通路の他端から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の一端から環状通路の他端よりも下流の排気通路内に流出する逆流位置との間を切替可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置において、前記一端とパティキュレートフィルタ間の環状通路内にパティキュレートフィルタに二次燃料を供給するための二次燃料供給弁を配置し、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給してこのとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分におけるよりも多くの量の二次燃料が下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において酸化されるようにする順流昇温制御が行われ、次いでパティキュレートフィルタへの二次燃料供給作用を停止すると共に切替弁を逆流位置に切り替えて保持し、パティキュレートフィルタ内に流入した排気ガスでもってこのとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分から下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分に向かう熱移動が生ずるようにする逆流昇温制御が行われる。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために順流昇温制御と逆流昇温制御とが交互に繰り返し行われる。
【０００９】
また、３番目の発明によれば１番目又は２番目の発明において、順流昇温制御から逆流昇温制御に又は逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期がパティキュレートフィルタの温度に基づいて定められる。
【００１０】
また、４番目の発明によれば１番目又は２番目の発明において、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替える時期及び逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期が、順流昇温制御が行われた時間及び逆流昇温制御が行われた時間にそれぞれ基づいて定められる。
【００１１】
また、５番目の発明によれば１番目の発明において、切替弁が弱順流位置に位置せしめられると排気ガスの一部が環状通路から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出し、かつ残りの排気ガスが環状通路を迂回して排気通路内を流通するようになっており、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を弱順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給してこのとき排気ガス流れに関し下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分におけるよりも多くの量の二次燃料が上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において酸化されるようにする予熱制御が順流昇温制御に先立って行われる。
【００１２】
また、６番目の発明によれば１番目の発明において、順流昇温制御が行われている時間及び逆流昇温制御が行われている時間がそれぞれ、順流昇温制御及び逆流昇温制御が行われていないときに切替弁が順流位置に保持されている時間及び逆流位置に保持されている時間よりも短くなっている。
【００１３】
また、７番目の発明によれば１番目の発明において、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒が前記パティキュレートフィルタ上に担持されている。
また、８番目の発明によれば３番目の発明において、順流昇温制御から逆流昇温制御に又は逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を、排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分と下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分との温度差に基づいて定めている。
【００１４】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯとの比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を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。
【００１６】
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内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１７】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管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の出口は排気管２０ａを介して触媒コンバータ２２に接続される。
【００１８】
図１と共に図２を参照すると、触媒コンバータ２２はステップモータ６０により駆動される切替弁６１を具備し、この切替弁６１の流入ポート６２に排気管２０ａの出口が接続される。また、流入ポート６２に対向する切替弁６１の流出ポート６３には触媒コンバータ２２の排気ガス排出管６４が接続される。切替弁６１は更に、流入ポート６２及び流出ポート６３を結ぶ直線の両側において互いに対向する一対の流入流出ポート６５，６６を有しており、これら流入流出ポート６５，６６には触媒コンバータ２２の環状排気管６７の両端がそれぞれ接続される。なお、排気ガス排出管６４の出口には排気管２３が接続される。
【００１９】
環状排気管６７は排気ガス排出管６４を貫通して延びており、環状排気管６７の排気ガス排出管６４内に位置する部分にはフィルタ収容室６８が形成される。このフィルタ収容室６８内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ６９が収容される。なお、図２において６９ａ及び６９ｂはパティキュレートフィルタ６９の一端面及び他端面をそれぞれ示している。
【００２０】
パティキュレートフィルタ６９の一端面６９ａを含む触媒コンバータ２２の部分縦断面図を示す図２（Ａ）、及び触媒コンバータ２２の部分横断面図を示す図２（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ６９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ガス通路７０，７１を具備する。これら排気ガス通路は一端が開放されかつ他端がシール材７２により閉塞されている排気ガス通路７０と、他端が開放されかつ一端がシール材７３により閉塞されている排気ガス通路７１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分はシール材７３を示している。これら排気ガス通路７０，７１は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁７４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路７０，７１は各排気ガス通路７０が４つの排気ガス通路７１によって包囲され、各排気ガス通路７１が４つの排気ガス通路７０によって包囲されるように配置される。
【００２１】
パティキュレートフィルタ６９上には後述するようにＮＯＸ触媒８１が担持されている。一方、切替弁６１の流出ポート６３と環状排気管６７が貫通している部分との間の排気ガス排出管６４内には触媒収容室７５が形成されており、この触媒収容室７５内にはハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する触媒７６が収容される。
【００２２】
また、切替弁６１の流入流出ポート６５とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７にはパティキュレートフィルタ６９に二次燃料を供給するための電気制御式二次燃料供給弁７７が取り付けられる。二次燃料供給弁７７には電気制御式の二次燃料ポンプ７８から二次燃料が供給される。本発明による実施例では二次燃料として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。また、二次燃料は後述するように還元剤としても作用する。なお、本発明による実施例では流入流出ポート６６とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７に二次燃料供給弁が配置されていない。
【００２３】
更に図１を参照すると、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を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式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内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２４】
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。
【００２５】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６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４７を介して入力ポート４５に入力される。
【００２６】
パティキュレートフィルタ６９の両端面にはそれぞれ対応する端面周りのパティキュレートフィルタ部分の温度を検出するための温度センサ４８ａ，４８ｂが取り付けられ、これら温度センサ４８ａ，４８ｂの出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。排気管２０には排気管２０内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ４９が取り付けられ、圧力センサ４９の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５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５２が接続される。
【００２７】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８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、切替弁駆動用ステップモータ６０、二次燃料供給弁７７、及び二次燃料剤ポンプ７８にそれぞれ接続される。
【００２８】
切替弁６１は通常、図３（Ｂ）において実線で示される位置と破線で示される位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁６１が図３（Ｂ）において実線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６６との連通が遮断されながら流入流出ポート６５に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６６に連通される。その結果、図３（Ｂ）において実線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６５を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６６及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排気出管６４内に流出する。
【００２９】
これに対し、切替弁６１が図３（Ｂ）において破線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６５との連通が遮断されながら流入流出ポート６６に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６５に連通される。その結果、図３（Ｂ）において破線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６６を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６５及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排出管６４内に流出する。
【００３０】
このように切替弁６１の位置を切り替えることによって環状排気管６７内における排気ガスの流れが反転する。以下では、図３（Ｂ）において実線で示される排気ガスの流れを順流と称し、破線で示される排気ガスの流れを逆流と称することにする。また、図３（Ｂ）において実線で示される切替弁６１の位置を順流位置と称し、破線で示される切替弁６１の位置を逆流位置と称する。
【００３１】
流出ポート６６を介し排気ガス排出管６４内に流出した排気ガスは図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、次いで触媒７６を通過し、環状排気管６７の外周面に沿いつつ進行した後に排気管２３内に流出する。
【００３２】
パティキュレートフィルタ６９における排気ガスの流れを説明すると、順流時には排気ガスは一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは一端面６９ａ内に開口している排気ガス通路７０内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７１内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは他端面６９ｂ内に開口している排気ガス通路７１内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７０内に流出する。
【００３３】
パティキュレートフィルタ６９の隔壁７４上即ち例えば隔壁７４の両側面及び細孔内壁面上には、図４に示されるようにＮＯＸ触媒８１がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒８１は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ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と、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００３４】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００３５】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００３６】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００３７】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００３８】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００３９】
一方、比較的小容量の触媒７６を上述したＮＯＸ触媒から形成してもよく、又はアルカリ金属、アルカリ土類、及び希土類を含むことなく貴金属を含む貴金属触媒からそれぞれ形成してもよい。
【００４０】
上述したように順流時であろうと逆流時であろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ６９を通過する。また、図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯＸはパティキュレートフィルタ６９上のＮＯＸ触媒８１内に蓄えられる。
【００４１】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために二次燃料供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に二次燃料即ち還元剤を一時的に供給するようにしている。この場合、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００４２】
一方、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ６９上に捕集される。即ち、概略的に説明すると、順流時には排気ガス通路７０側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集され、逆流時には排気ガス通路７１側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、また、ＮＯＸ触媒８１は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ６９上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００４３】
この場合、上述したＮＯＸ触媒８１のＮＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒８１内にＮＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ６９上にＮＯＸ触媒８１を担持させると、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００４４】
ところが、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ６９の圧損が増大する。
【００４５】
そこで本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ６９の温度が２５０℃よりも低くなると、パティキュレートフィルタ６９の温度を２５０℃まで上昇させ２５０℃以上に維持する昇温制御が行われる。
【００４６】
このような昇温制御を行っても、単位時間当たりにパティキュレートフィルタ６９内に流入する微粒子の量がかなり多くなるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積する微粒子の量が次第に増大する。
【００４７】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときには切替弁６１を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えると共に、パティキュレートフィルタ６９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ６９の温度を６００℃以上まで上昇し次いで６００℃以上に維持する昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。この場合、排気ガスの流れが反転されているので、微粒子が燃焼することにより形成される灰がパティキュレートフィルタ６９から容易に除去される。なお、図１に示される内燃機関では、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されているときに圧力センサ４９により検出される機関背圧が許容値を越えたときにパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたと判断される。
【００４８】
ここで、パティキュレートフィルタ６９は環状排気管６７のほぼ中央部に配置されており、即ち切替弁６１の流入ポート６２からパティキュレートフィルタ６９までの距離と、パティキュレートフィルタ６９から流出ポート６３までの距離とが切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらない。このことはパティキュレートフィルタ６９の状態例えば温度が切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらないことを意味しており、従って切替弁６１の位置に応じた特別な制御を必要としない。
【００４９】
次に、図５及び図６を参照して本発明による実施例の昇温制御について説明する。なお、説明を簡単にするために、切替弁６１が順流位置に保持されているときに排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ６９の部分を上流側フィルタ部分６９ｕと称し、下流側に位置するパティキュレートフィルタ６９の部分を下流側フィルタ部分６９ｄと称することにする（図２参照）。この場合、温度センサ４８ａ，４８ｂは上流側フィルタ部分６９ｕ及び下流側フィルタ部分６９ｄの温度をそれぞれ検出していることになる。また、切替弁６１が逆流位置に保持されると排気ガスはまず下流側フィルタ部分６９ｄ内を流通し、次いで上流側フィルタ部分６９ｕ内を流通することになる。
【００５０】
図５において矢印Ｘは昇温制御を実行すべきであると判断されたときを示している。昇温制御を実行すべきときにはまず順流昇温制御が行われる。順流昇温制御では、切替弁６１が順流位置に保持されつつ、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されるように二次燃料供給弁７７から二次燃料が供給される。この場合、二次燃料供給弁７７からパティキュレートフィルタ６９までの距離が比較的短いので、二次燃料はパティキュレートフィルタ６９に到るまでに排気ガスによって十分に加熱されず、パティキュレートフィルタ６９内に流入するときの二次燃料の温度はさほど高くない。このため、二次燃料は上流側フィルタ部分６９ｕではほとんど酸化されず、排気ガスによって下流側フィルタ部分６９ｄまで運ばれた後に下流側フィルタ部分６９ｄにおいて酸化される。或いは、このときパティキュレートフィルタ６９内には内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入しているのでパティキュレートフィルタ６９における排気ガスの空間速度が比較的高く、従って二次燃料は比較的短時間のうちに下流側フィルタ部分６９ｄまで進行し、下流側フィルタ部分６９ｄにおいて酸化される。従って、上流側フィルタ部分６９ｕにおけるよりも多くの量の二次燃料が下流側フィルタ部分６９ｄにおいて酸化されることになる。
【００５１】
その結果、図５に示されるように下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤが速やかに上昇する。一方、上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵはわずかに上昇し、従って温度差ΔＴ（＝ＴＤ−ＴＵ、順流昇温制御時）が次第に大きくなる。
【００５２】
次いで、この温度差ΔＴがしきい値ＴＦを越えると逆流昇温制御に切り替えられる。即ち、パティキュレートフィルタ６９への二次燃料供給作用が停止されると共に切替弁６１が逆流位置に切り替えられて保持される。この場合、パティキュレートフィルタ６９内に流入した排気ガスが下流側フィルタ部分６９ｄによって加熱され、次いでこの加熱された排気ガスが上流側フィルタ部分６９ｕに到って上流側フィルタ部分６９ｕを加熱する。言い換えると、パティキュレートフィルタ６９内に流入した排気ガスでもって下流側フィルタ部分６９ｄから上流側フィルタ部分６９ｕに向かう熱移動が生ずることになる。
【００５３】
この場合、パティキュレートフィルタ６９内には内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入しているので熱移動速度が高くなる。即ち、パティキュレートフィルタ６９の温度を速やかに上昇させることができる。また、二次燃料供給作用を停止しながらパティキュレートフィルタ６９の温度が上昇されるので、パティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させるために必要な二次燃料の量を低減することができる。更に、このとき二次燃料供給作用が停止されるので、二次燃料が流入流出ポート６５から排気ガス排出管６４内に排出されるのが阻止される。
【００５４】
その結果、図５に示されるように上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵが速やかに上昇する。一方、下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤは次第に低下する。次いで、温度差ΔＴ（＝ＴＵ−ＴＤ、逆流昇温制御時）がしきい値ＴＲを越えると順流昇温制御に切り替えられる。
【００５５】
このようにして順流昇温制御と逆流昇温制御とを交互に繰り返し行い、上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵ及び下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤを速やかに上昇させる。これが本発明による実施例の基本的な考え方である。
【００５６】
次いで、例えばパティキュレートフィルタ６９の平均温度、即ち上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵ及び下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤの平均値が目標温度を越えると昇温制御を実行すべきでないと判断され、即ち昇温制御が停止される。
【００５７】
順流昇温制御から逆流昇温制御に又はその逆に切り替える時期を定める方法には様々な方法がある。図５に示される例では、温度差ΔＴに基づいて順流昇温制御から逆流昇温制御に又はその逆に切り替える時期が定められている。ここで、しきい値ＴＦ，ＴＲを定める方法にも様々な方法がある。図５に示される例では、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えるときのしきい値ＴＦは昇温制御の切り替え回数が多くなるにつれて小さくなり、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替えるときのしきい値ＴＲは一定に保持されている。
【００５８】
順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替える時期を、下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤ又は上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵに基づいて定めることもできる。この場合、例えば下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤがしきい値よりも高くなったとき、又は上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵよりも低くなったときに、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えられる。同様に、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤ又は上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵに基づいて定めることができる。
【００５９】
或いは、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替える時期及び逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を、順流昇温制御が行われた時間ｔＦ及び逆流昇温制御が行われた時間ｔＲにそれぞれ基づいて定めることもできる（図５参照）。この場合、例えば順流昇温制御が行われた時間ｔＦが予め定められた設定時間になると逆流昇温制御に切り替えられる。このようにすると、昇温制御のために温度センサ４８ａ，４８ｂを必要としない。
【００６０】
一方、上述したように、例えばパティキュレートフィルタ６９の温度が目標温度を越えると昇温制御が停止される。従って、順流昇温制御と逆流昇温制御とが１回ずつだけ行われる場合もあれば、順流昇温制御のみが行われ逆流昇温制御が行われない場合もある。即ち、順流昇温制御と逆流昇温制御とは必ずしも繰り返されない。
【００６１】
また、図５に示される実施例では、順流昇温制御が行われる期間の全体に亘って、継続的に又は間欠的に二次燃料が供給される。しかしながら、順流昇温制御中に二次燃料供給作用を一時的に停止することもできる。例えば、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられる直前に供給された二次燃料はパティキュレートフィルタ６９内で酸化されることなく排気ガス排出管６４内に排出される恐れがある。これを解決するために、順流昇温制御の末期に二次燃料供給作用を一時的に停止することもできる。
【００６２】
図６は上述した昇温制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００６３】
図６を参照すると、まずステップ１００では昇温制御を実行すべきか否かが判別される。昇温制御を実行すべきでないときには次いでステップ１０１に進み、通常制御が実行される。これに対し、昇温制御を実行すべきときには次いでステップ１０２に進み、現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているか否かが判別される。ステップ１００からステップ１０２に初めて進んだときには順流昇温制御も逆流昇温制御も未だ開始されていないので、次いでステップ１０３に進み、順流昇温制御が実行される。
【００６４】
現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているときにはステップ１０２からステップ１０４に進み、現在、順流昇温制御が行われているか否かが判別される。現在、順流昇温制御が行われているときには次いでステップ１０５に進み、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。逆流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ１０３に進んで順流昇温制御を継続し、逆流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ１０６に進んで、逆流昇温制御が開始される。
【００６５】
一方、ステップ１０４において、現在、逆流昇温制御が行われているときには次いでステップ１０７に進み、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。順流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ１０６に進んで逆流昇温制御を継続し、順流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ１０３に進んで、順流昇温制御が開始される。
【００６６】
次いで、例えばパティキュレートフィルタ６９の温度が目標温度を越えるとステップ１００で昇温制御を実行すべきでないと判断され、通常制御が再開される（ステップ１０２）。即ち、昇温制御が停止される。
【００６７】
ところで、通常制御では上述したように、パティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えると切替弁６１が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる。そうすると、昇温制御時にはパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量に関わらず切替弁６１が切り替えられるということになる。この場合、順流昇温制御が行われている時間及び逆流昇温制御が行われている時間はそれぞれ、通常制御時に切替弁が順流位置に保持されている時間及び逆流位置に保持されている時間よりも短くなっている。
【００６８】
次に、本発明による別の実施例を説明する。
【００６９】
本発明による別の実施例では、パティキュレートフィルタ６９の昇温制御を行うべきときには、順流昇温制御を開始するのに先立って予熱制御が実行される。この予熱制御について図７及び図８を参照しながら説明する。
【００７０】
即ち、図７に示されるように昇温制御を実行すべきであると判断されると（矢印Ｘ）、まず予熱制御が実行される。この予熱制御では、切替弁６１が弱順流位置に保持されつつ、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されるように二次燃料供給弁７７から二次燃料が供給される。
【００７１】
切替弁６１が弱順流位置に保持されると、図８に矢印で示されるように内燃機関から排出された排気ガスの大部分が流入ポート６２から流出ポート６３を介し直接的に排気ガス排出管６４内に流出し即ちパティキュレートフィルタ６９を迂回し、残りのわずかな一定量の排気ガスが流入流出ポート６５を介し環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９内を順流方向に流通する。即ち、切替弁６１を弱順流位置に保持すると、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持された場合に比べてパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの量が低減され、パティキュレートフィルタ６９における排気ガスの空間速度が低下する。
【００７２】
このとき二次燃料供給弁７７から供給された二次燃料は比較的長い時間、上流側フィルタ部分６９ｕ内にとどまり、次第にその温度が上昇し、ついには上流側フィルタ部分６９ｕにおいて酸化される。これにより上流側フィルタ部分６９ｕの温度が高くなると、パティキュレートフィルタ６９内に新たに流入する二次燃料が上流側フィルタ部分６９ｕで次々と酸化され、上流側フィルタ部分６９ｕの温度が更に上昇する。従って、この場合には、下流側フィルタ部分６９ｄにおけるよりも多くの量の二次燃料が上流側フィルタ部分６９ｕにおいて酸化されることになる。
【００７３】
その結果、図７に示されるように上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵが上昇する。この場合、ゆっくりと流れる排気ガスでもって、上流側フィルタ部分６９ｕから下流側フィルタ部分６９ｄに向かう熱移動が生じ、それによって、図８に示されるように下流側フィルタ部分６９ｄの温度がゆっくりと上昇する。
【００７４】
次いで、例えば予熱制御が一定時間だけ行われると順流昇温制御が開始される。このとき、図５に示される例と比べて、上流側フィルタ部分６９ｕの温度ＴＵも下流側フィルタ部分６９ｄの温度ＴＤも高くなっており、従ってパティキュレートフィルタ６９の温度を速やかに上昇させることができる。なお、予熱制御から順流昇温制御に切り替える時期をパティキュレートフィルタ６９の温度に基づいて定めることもできる。
【００７５】
図９は上述した別の実施例による昇温制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００７６】
図９を参照すると、まずステップ２００では昇温制御を実行すべきか否かが判別される。昇温制御を実行すべきでないときには次いでステップ２０１に進み、通常制御が実行される。これに対し、昇温制御を実行すべきときには次いでステップ２０２に進み、現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているか否かが判別される。ステップ２００からステップ２０２に初めて進んだときには順流昇温制御も逆流昇温制御も未だ開始されていないので、次いでステップ２０２ａに進み、予熱制御が行われる。予熱制御が例えば一定時間だけ行われると次いでステップ２０３に進み、順流昇温制御が実行される。
【００７７】
現在、順流昇温制御又は逆流昇温制御が行われているときにはステップ２０２からステップ２０４に進み、現在、順流昇温制御が行われているか否かが判別される。現在、順流昇温制御が行われているときには次いでステップ２０５に進み、順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。逆流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ２０３に進んで順流昇温制御を継続し、逆流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ２０６に進んで、逆流昇温制御が開始される。
【００７８】
一方、ステップ２０４において、現在、逆流昇温制御が行われているときには次いでステップ２０７に進み、逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替えるべきか否かが判別される。順流昇温制御に切り替えるべきでないときには次いでステップ２０６に進んで逆流昇温制御を継続し、順流昇温制御に切り替えるべきときには次いでステップ２０３に進んで、順流昇温制御が開始される。
【００７９】
次いで、例えばパティキュレートフィルタ６９の温度が目標温度を越えるとステップ２００で昇温制御を実行すべきでないと判断され、通常制御が再開される（ステップ２０２）。
【００８０】
これまで述べてきた実施例ではパティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させるために本発明が適用されている。しかしながら、パティキュレートフィルタ６９上に担持されたＮＯＸ触媒８１の温度を上昇させるために本発明を適用することもできる。
【００８１】
具体的には、ＮＯＸ触媒８１の温度が例えば２００℃以上に維持されていれば、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化率は許容下限値よりも高く維持される。しかしながら、ＮＯＸ触媒８１の温度が低くなると上述したＮＯＸの酸化反応又は還元反応が起こりにくくなり、従ってＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化率が許容下限値よりも低くなる。
【００８２】
そこで、ＮＯＸ触媒８１の温度即ちパティキュレートフィルタ６９の温度を、ＮＯＸ触媒８１のＮＯＸ浄化率が許容下限値よりも高く維持される温度以上に維持するために、上述した昇温制御を行うこともできる。
【００８３】
或いは、ＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているイオウ分の量を低減するためにも上述した昇温制御を行うことができる。即ち、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒８１内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒８１内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには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、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒８１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ４ −の形でＮＯＸ触媒８１内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００８４】
この硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量が増大し、その結果ＮＯＸ触媒８１が蓄えうるＮＯＸの量が減少することになる。
【００８５】
しかしながら、ＮＯＸ触媒８１の温度を５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると、ＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒８１から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒８１からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００８６】
そこで、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるべく、ＮＯＸ触媒８１の温度を５５０℃まで上昇し次いで５５０℃以上に維持するために、上述した昇温制御を行うことができる。この場合、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００８７】
【発明の効果】
パティキュレートフィルタの温度を速やかに上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】触媒コンバータの構造を示す図である。
【図３】切替弁が順流位置又は逆流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図４】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図５】昇温制御を説明するための図である。
【図６】昇温制御を実行するためのフローチャートである。
【図７】本発明による別の実施例の昇温制御を説明するための図である。
【図８】切替弁が弱順流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図９】本発明による別の実施例の昇温制御を実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ…排気管
２２…触媒コンバータ
６１…切替弁
６７…環状排気管
６９…パティキュレートフィルタ
７７…二次燃料供給弁
８１…ＮＯＸ触媒
Claims (8)
- リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路から分岐して環状に延びた後に排気通路に戻る環状通路内に、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを配置し、機関から排出された全ての排気ガスが環状通路の一端から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出する順流位置と、機関から排出された全ての排気ガスが環状通路の他端から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の一端から環状通路の他端よりも下流の排気通路内に流出する逆流位置との間を切替可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置において、前記一端とパティキュレートフィルタ間の環状通路内にパティキュレートフィルタに二次燃料を供給するための二次燃料供給弁を配置し、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給してこのとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分におけるよりも多くの量の二次燃料が下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において酸化されるようにする順流昇温制御を行い、次いでパティキュレートフィルタへの二次燃料供給作用を停止すると共に切替弁を逆流位置に切り替えて保持し、パティキュレートフィルタ内に流入した排気ガスでもってこのとき排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分から下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分に向かう熱移動が生ずるようにする逆流昇温制御を行う内燃機関の排気浄化装置。
- パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために順流昇温制御と逆流昇温制御とを交互に繰り返し行う請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 順流昇温制御から逆流昇温制御に又は逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期をパティキュレートフィルタの温度に基づいて定めた請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 順流昇温制御から逆流昇温制御に切り替える時期及び逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を、順流昇温制御が行われた時間及び逆流昇温制御が行われた時間にそれぞれ基づいて定めた請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 切替弁が弱順流位置に位置せしめられると排気ガスの一部が環状通路から環状通路内に流入し環状通路内を流通した後に環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出し、かつ残りの排気ガスが環状通路を迂回して排気通路内を流通するようになっており、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるために、切替弁を弱順流位置に保持しつつ二次燃料供給弁からパティキュレートフィルタに二次燃料を供給してこのとき排気ガス流れに関し下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分におけるよりも多くの量の二次燃料が上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分において酸化されるようにする予熱制御を順流昇温制御に先立って行う請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 順流昇温制御が行われている時間及び逆流昇温制御が行われている時間がそれぞれ、順流昇温制御及び逆流昇温制御が行われていないときに切替弁が順流位置に保持されている時間及び逆流位置に保持されている時間よりも短くなっている請求項１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に流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒が前記パティキュレートフィルタ上に担持されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 順流昇温制御から逆流昇温制御に又は逆流昇温制御から順流昇温制御に切り替える時期を、排気ガス流れに関し上流側に位置するパティキュレートフィルタ部分と下流側に位置するパティキュレートフィルタ部分との温度差に基づいて定めた請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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