JP2002349240A

JP2002349240A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002349240A
Application number: JP2001161050A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshida; 耕平吉田; Shinichi Takeshima; 伸一竹島; Yasuaki Nakano; 泰彰仲野; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Shinya Hirota; 信也広田; Kazuhiro Ito; 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2002-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】多量のパティキュレートが大気中へ放出され
ないようにすると共に、パティキュレートフィルタが少
なくとも早期に目詰まりすることを防止することを可能
とする内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】機関排気系に配置されてパティキュレー
トを捕集するパティキュレートフィルタと、機関排気系
のパティキュレートフィルタの上流側に配置されたプラ
ズマ発生装置とを具備し、パティキュレートフィルタ
は、捕集したパティキュレートを酸化除去する酸化除去
機能を有し、酸化除去機能によるパティキュレートの酸
化除去能力が不十分となってパティキュレートフィルタ
にパティキュレートが堆積すると判断される機関状態の
時には、プラズマ発生装置を作動することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関、特に、ディーゼルエンジンの
排気ガス中には煤を主成分とするパティキュレートが含
まれている。パティキュレートは有害物質であるため
に、大気放出以前にパティキュレートを捕集するための
フィルタを機関排気系に配置することが提案されてい
る。このようなフィルタは、目詰まりによる排気抵抗の
増加を防止するために、捕集したパティキュレートを焼
失させることが必要である。

【０００３】このようなフィルタ再生において、パティ
キュレートは約６００°Ｃとなれば着火燃焼するが、デ
ィーゼルエンジンの排気ガス温度は、通常時において６
００°Ｃよりかなり低く、通常はフィルタ自身を加熱す
る等の手段が必要である。

【０００４】特公平７−１０６２９０号公報には、白金
族金属とアルカリ土金属酸化物とをフィルタに担持させ
れば、フィルタ上のパティキュレートは、ディーゼルエ
ンジンの通常時の排気ガス温度である約４００°Ｃで連
続的に焼失することが開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このフ
ィルタを使用しても、常に排気ガス温度が４００°Ｃ程
度となっているとは限らず、また、運転状態によっては
ディーゼルエンジンから多量のパティキュレートが放出
されることもあり、各時間で焼失できなかったパティキ
ュレートがフィルタ上に徐々に堆積することがある。

【０００６】このフィルタにおいて、ある程度パティキ
ュレートが堆積すると、パティキュレート焼失能力が極
端に低下するために、もはや自身でフィルタを再生する
ことはできない。このように、この種のフィルタを単に
機関排気系に配置しただけでは、比較的早期に目詰まり
が発生して機関出力の大幅低下がもたらされることがあ
る。

【０００７】従って、本発明の目的は、多量のパティキ
ュレートが大気中へ放出されないようにすると共に、パ
ティキュレートフィルタが少なくとも早期に目詰まりす
ることを防止することを可能とする内燃機関の排気浄化
装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よる排気浄化装置は、機関排気系に配置されてパティキ
ュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、機関
排気系のパティキュレートフィルタの上流側に配置され
たプラズマ発生装置とを具備し、パティキュレートフィ
ルタは、捕集したパティキュレートを酸化除去する酸化
除去機能を有し、酸化除去機能によるパティキュレート
の酸化除去能力が不十分となってパティキュレートフィ
ルタにパティキュレートが堆積すると判断される機関状
態の時には、プラズマ発生装置を作動することを特徴と
する。

【０００９】また、請求項２に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項１に記載の排気浄化装置において、パ
ティキュレートフィルタは、酸化除去機能のために活性
酸素放出剤を担持し、活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸
素が存在すると酸素を取り込んで酸素を保持しかつ周囲
の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で
放出するものであり、活性酸素がパティキュレートを酸
化除去することを特徴とする。

【００１０】また、請求項３に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項２に記載の排気浄化装置において、活
性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在するとＮＯ_Xを
酸素と結合させて保持しかつ周囲の酸素濃度が低下する
と結合させたＮＯ_X及び酸素をＮＯ_Xと活性酸素とに分解
して放出することを特徴とする。

【００１１】また、請求項４に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項２又は３に記載の排気浄化装置におい
て、機関状態は、排気ガスの空燃比を一時的にリッチに
する機関運転状態であることを特徴とする。

【００１２】また、請求項５に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項２又は３に記載の排気浄化装置におい
て、機関状態は、排気ガス中の酸素濃度が設定酸素濃度
より低くて活性酸素放出剤が酸素を取り込んで酸素を保
持し難くなる機関運転状態であることを特徴とする。

【００１３】また、請求項６に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項２又は３に記載の排気浄化装置におい
て、機関状態は、煤の発生量が最大となる最悪不活性ガ
ス量よりも燃焼室内の不活性ガス量を多くした燃焼方式
のために排気ガス中の酸素濃度が低くて活性酸素放出剤
が酸素を取り込んで酸素を保持し難くなる機関運転状態
であることを特徴とする。

【００１４】また、請求項７に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項３に記載の排気浄化装置において、機
関状態は、排気ガス中のＮＯ_X濃度が設定ＮＯ_X濃度より
低くて活性酸素放出剤がＮＯ_Xを酸素と結合させて保持
し難くなる機関運転状態であることを特徴とする。

【００１５】また、請求項８に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の排気浄化装
置において、機関状態は、燃焼室から排出される単位時
間当たりの排出微粒子量が単位時間当たりの酸化除去能
力を超える機関運転状態であることを特徴とする。

【００１６】また、請求項９に記載の発明による排気浄
化装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の排気浄化装
置において、酸化除去能力は、パティキュレートフィル
タの温度が高いほど大きく、機関状態は、パティキュレ
ートフィルタの温度が設定温度より低い機関状態である
ことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による排気浄化装
置を備えた４ストロークディーゼルエンジンの概略縦断
面図を示しており、図２は図１のディーゼルエンジンに
おける燃焼室の拡大縦断面図であり、図３は図１のディ
ーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図であ
る。図１から図３を参照すると、１は機関本体、２はシ
リンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、
５ａはピストン４の頂面上に形成されたキャビティ、５
はキャビティ５ａ内に形成された燃焼室、６は電気制御
式燃料噴射弁、７は一対の吸気弁、８は吸気ポート、９
は一対の排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸
気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタン
ク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３
を介してエアクリーナ１４に連結されている。吸気ダク
ト１３内には電気モータ１５により駆動されるスロット
ル弁１６が配置されている。一方、排気ポート１０は排
気マニホルド１７へ接続されている。

【００１８】また、図１に示されるように、排気マニホ
ルド１７内には空燃比センサ２１が配置されている。排
気マニホルド１７の下流には、プラズマ発生装置８０
と、その下流にパティキュレートフィルタ７０が配置さ
れている。このパティキュレートフィルタ７０にはパテ
ィキュレートフィルタ７０の温度を検出するための温度
センサが取り付けられている。また、排気マニホルド１
７とサージタンク１２とはＥＧＲ通路２２を介して互い
に連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制
御弁２３が配置されている。また、ＥＧＲ通路２２周り
にはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するた
めの冷却装置２４が配置されている。図１に示されてい
る実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導かれ、機
関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

【００１９】また、図１において、機関本体１には、機
関本体１によって駆動される発電器６５が接続されてい
る。６０は、発電器６５によって発電される電力を蓄え
るバッテリである。５０はプラズマ発生装置８０への電
力供給装置であり、バッテリ６０によって提供される直
流電圧を交流電圧へ変換すると共に、周波数及び交流電
圧値を調整してプラズマ発生装置８０への投入電力を変
化させることが可能なものである。電子制御ユニット３
０は、バッテリ６０から電力供給を受け、電力供給装置
５０及び機関本体１を制御する。

【００２０】一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管２５を
介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２６に連結
されている。このコモンレール２６内へは電気制御式の
吐出量可変な燃料ポンプ２７から燃料が供給され、コモ
ンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を
介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２６に
はコモンレール２６内の燃料圧を検出するための燃料圧
センサ２８が取付けられ、燃料圧センサ２８の出力信号
に基づいてコモンレール２６内の燃料圧が目標燃料圧と
なるように燃料ポンプ２７の吐出量が制御されている。

【００２１】電子制御ユニット３０には、空燃比センサ
２１の出力信号と、燃料圧センサ２８の出力信号と、温
度センサの出力信号とが入力されている。また、アクセ
ルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比
例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、
電子制御ユニット３０には、負荷センサ４１の出力信号
も入力され、さらに、クランクシャフトが例えば３０°
回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４
２の出力信号も入力される。こうして、電子制御ユニッ
ト３０は、各種信号に基づき、燃料噴射弁６、電気モー
タ１５、ＥＧＲ制御弁２３、燃料ポンプ２７、及び、プ
ラズマ発生装置８０を作動する。

【００２２】図２及び図３に示されるように本発明によ
る実施例では燃焼噴射弁６が６個のノズル口を有するホ
ールノズルからなり、燃焼噴射弁６のノズル口からは水
平面に対しやや下向きに等角度間隔でもって燃料Ｆが噴
射される。図３に示されるように６個の燃料噴霧Ｆのう
ちで２個の燃料噴霧Ｆは各排気弁９の弁体の下側面に沿
って飛散する。図２及び図３は圧縮行程末期に燃料噴射
が行われた時を示している。この時には燃料噴霧Ｆはキ
ャビティ５ａの内周面に向けて進み、次いで着火燃焼さ
せられる。

【００２３】図４は排気行程中において排気弁９のリフ
ト量が最大の時に燃料噴射弁６から追加の燃料が噴射さ
れた場合を示している。即ち、図５に示されるように圧
縮上死点付近において主噴射Ｑｍが行われ、次いで排気
行程の中ほどで追加の燃料Ｑａが噴射された場合を示し
ている。この場合、排気弁９の弁体方向に進む燃料噴霧
Ｆは排気弁９の傘部背面と排気ポート１０との間に向か
う。即ち、云い換えると燃料噴射弁６の６個のノズル口
のうちで２個のノズル口は、排気弁９が開弁している時
に追加の燃料Ｑａの噴射が行われると燃料噴霧Ｆが排気
弁９の傘部背面と排気ポート１０との間に向かうように
形成されている。なお、図４に示す実施例ではこの時に
燃料噴霧Ｆが排気弁９の傘部背面に衝突し、排気弁９の
傘部背面に衝突した燃料噴霧Ｆは排気弁９の傘部背面上
において反射し、排気ポート１０内に向かう。なお通常
は追加の燃料Ｑａは噴射されず、主噴射Ｑｍのみが行わ
れる。

【００２４】以下、本実施例で実施する燃焼方式である
低温燃焼について説明する。図６は機関低負荷運転時に
おいてスロットル弁１６の開度及びＥＧＲ率を変化させ
ることにより空燃比Ａ／Ｆ（図６の横軸）を変化させた
時の出力トルクの変化及びスモーク、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ
_xの排出量の変化を示す実験例を表している。図６から
わかるようにこの実験例では空燃比Ａ／Ｆが小さくなる
ほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）
以下のときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となって
いる。

【００２５】図６に示されるようにＥＧＲ率を増大する
ことにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくとＥＧＲ率が
４０パーセント付近となり空燃比Ａ／Ｆが３０程度にな
った時にスモークの発生量が増大を開始する。次いで、
更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくするとスモ
ークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで
更にＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると今度
はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント
以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモー
クがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくな
る。この時に機関の出力トルクは若干低下し、またＮＯ
_xの発生量がかなり低くなる。一方、この時にＨＣ及び
ＣＯの発生量は増大し始める。

【００２６】図７（Ａ）は空燃比Ａ／Ｆが２１付近でス
モークの発生量が最も多い時の燃焼室５内の燃焼圧変化
を示しており、図７（Ｂ）は空燃比Ａ／Ｆが１８付近で
スモークの発生量がほぼ零の時の燃焼室５内における燃
焼圧の変化を示している。図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを
比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零であ
る図７（Ｂ）に示す場合はスモークの発生量が多い図７
（Ａ）に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。

【００２７】図６及び図７に示される実験結果から次の
ことが言える。即ち、まず第一に空燃比Ａ／Ｆが１５．
０以下でスモークの発生量がほぼ零の時には図６に示さ
れるようにＮＯ_x発生量がかなり低下する。ＮＯ_xの発生
量が低下したということは燃焼室５内の燃焼温度が低下
していることを意味しており、従って煤がほとんど発生
しない時には燃焼室５内の燃焼温度が低くなっていると
言える。同じことが図７からも言える。即ち、煤がほと
んど発生していない図７（Ｂ）に示す状態では燃焼圧が
低くなっており、従ってこの時に燃焼室５内の燃焼温度
は低くなっていることになる。

【００２８】第二にスモークの発生量、即ち煤の発生量
がほぼ零になると図６に示されるようにＨＣ及びＣＯの
排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せ
ずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含
まれる図６に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭
化水素は酸素不足の状態で温度上昇させられると熱分解
して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合
した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤
の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態
をとるかは明確ではないがいずれにしても図６に示され
るような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長するこ
とになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ零
になると図６に示される如くＨＣ及びＣＯの排出量が増
大するがこの時のＨＣは煤の前駆体又はその前の状態の
炭化水素である。このＨＣが機関排気通路内で後燃え
し、排気ガス温度が上昇することとなる。

【００２９】図６及び図７に示される実験結果に基づく
これらの考察をまとめると燃焼室５内の燃焼温度が低い
時には煤の発生量がほぼ零になり、この時には煤の前駆
体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室５から排出され
ることになる。このことについて更に詳細に実験研究を
重ねた結果、燃焼室５内における燃料及びその周囲のガ
ス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途
中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室５
内における燃料及びその周囲の温度が或る温度以下にな
ると煤が生成されることが判明したのである。

【００３０】ところで煤の前駆体の状態で炭化水素の生
成過程が停止する時の燃料及びその周囲の温度、即ち上
述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の
要因によって変化するので何度であるかということは言
えないが、この或る温度はＮＯ_xの発生量と深い関係を
有しており、従ってこの或る温度はＮＯ_xの発生量から
或る程度規定することができる。即ち、ＥＧＲ率が増大
するほど燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度は低下
し、ＮＯ_xの発生量が低下する。この時においてＮＯ_xの
発生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になった時に煤が
ほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はＮＯ
_xの発生量が１０p.p.m 前後又はそれ以下になった時の
温度にほぼ一致する。

【００３１】一旦、煤が生成されるとこの煤は単に酸化
機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化すること
はできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態
の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でも
って容易に浄化することができる。このように、ＮＯ_x
の発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はそ
の前の状態で燃焼室５から排出させることは排気ガスの
浄化に極めて有効である。

【００３２】さて、煤が生成される前の状態で炭化水素
の成長を停止させるには燃焼室５内における燃焼時の燃
料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも
低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料及びそ
の周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃
料周りにおけるガスの吸熱作用が極めて大きく影響する
ことが判明している。

【００３３】即ち、燃料周りに空気しか存在しないと蒸
発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼す
る。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど
上昇せず、燃料周りの温度のみが局所的に極めて高くな
る。即ち、この時には燃料から離れている空気は燃料の
燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃
焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を
受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。

【００３４】一方、多量の不活性ガスと少量の空気の混
合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。
この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に
混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合
には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼
温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑
えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制す
るには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不
活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えること
ができることになる。

【００３５】この場合、燃料及びその周囲のガス温度を
煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそう
するのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が
必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活
性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、こ
の場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力
となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好まし
いことになる。この点、ＣＯ₂やＥＧＲガスは比較的比
熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いるこ
とは好ましいと言える。

【００３６】図９は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
い、ＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とス
モークとの関係を示している。即ち、図９において曲線
ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９
０°Ｃに維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷
却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線
ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示して
いる。

【００３７】図９の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガス
を強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよ
りも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。一方、図９の曲線Ｂで示さ
れるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率
が５０パーセントよりも少し高いところで煤の発生量が
ピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセ
ント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。

【００３８】また、図９の曲線Ｃで示されるようにＥＧ
Ｒガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５
５パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この
場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。なお、図９は機関負荷が比
較的高い時のスモークの発生量を示しており、機関負荷
が小さくなると煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率は若
干低下し、煤がほとんど発生しなくなるＥＧＲ率の下限
も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくな
るＥＧＲ率の下限はＥＧＲガスの冷却度合や機関負荷に
応じて変化する。

【００３９】図１０は不活性ガスとしてＥＧＲガスを用
いた場合において燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要
なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、及びこの混合ガス量
中の空気の割合、及びこの混合ガス中のＥＧＲガスの割
合を示している。なお、図１０において縦軸は燃焼室５
内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過
給が行われないときに燃焼室５内に吸入しうる全吸入ガ
ス量を示している。また、横軸は要求負荷を示してお
り、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。

【００４０】図１０を参照すると空気の割合、即ち混合
ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼させるの
に必要な空気量を示している。即ち、図１０に示される
場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比となっ
ている。一方、図１０においてＥＧＲガスの割合、即ち
混合ガス中のＥＧＲガス量は噴射燃料が燃焼させられた
ときに燃料及びその周囲のガス温度を煤が形成される温
度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量
を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほ
ぼ５５パーセント以上であり、図１０に示す実施例では
７０パーセント以上である。即ち、燃焼室５内に吸入さ
れた全吸入ガス量を図１０において実線Ｘとし、この全
吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を
図１０に示すような割合にすると燃料及びその周囲のガ
ス温度は煤が生成される温度よりも低い温度となり、斯
くして煤が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯ
_x発生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従っ
てＮＯ_xの発生量は極めて少量となる。

【００４１】燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際
の発熱量が増大するので燃料及びその周囲のガス温度を
煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためには
ＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならな
い。従って図１０に示されるようにＥＧＲガス量は噴射
燃料量が増大するにつれて増大させなければならない。
即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大
する必要がある。

【００４２】一方、図１０の負荷領域Ｚ２では煤の発生
を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸
入ガス量Ｙを超えてしまう。従ってこの場合、煤の発生
を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室５内に供
給するにはＥＧＲガス及び吸入空気の双方、或いはＥＧ
Ｒガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を
過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガ
ス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従って
この場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減
少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチ
のもとで燃料を燃焼させることになる。

【００４３】前述したように図１０は燃料を理論空燃比
のもとで燃焼させる場合を示しているが図１０に示され
る低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図１０に示され
る空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにして
も煤の発生を阻止しつつＮＯ _xの発生量を１０p.p.m 前
後又はそれ以下にすることができ、また図１０に示され
る低負荷領域Ｚ１において空気量を図１０に示される空
気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から
１８のリーンにしても煤の発生を阻止しつつＮＯ_xの発
生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ
る。

【００４４】即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過
剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために
過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成される
ことがない。また、このときＮＯ_xも極めて少量しか発
生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空
燃比が理論空燃比の時でも燃焼温度が高くなれば少量の
煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制
されているので煤は全く生成されない。更に、ＮＯ_xも
極めて少量しか発生しない。

【００４５】このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では
空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろう
と、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーン
であろうと煤が発生されず、ＮＯ_xの発生量が極めて少
量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき
平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。

【００４６】ところで燃焼室内における燃焼時の燃料及
びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止す
る温度以下に抑制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。従って本発明に
よる実施例では機関負荷が比較的低い時には燃焼時の燃
料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停
止する温度以下に抑制して第一燃焼、即ち低温燃焼を行
うようにし、機関負荷が比較的高い時には第二燃焼、即
ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしてい
る。なお、ここで第一燃焼、即ち低温燃焼とはこれまで
の説明から明らかなように煤の発生量が最大となる最悪
不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤が
ほとんど発生しない燃焼のことを言い、第二燃焼、即ち
従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量が最大
となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量
が少ない燃焼のことを言う。

【００４７】図１１は第一燃焼、即ち低温燃焼が行われ
る第一の運転領域Ｉと、第二燃焼、即ち従来の燃焼方法
による燃焼が行われる第二の燃焼領域IIとを示してい
る。なお、図１１において縦軸Ｌはアクセルペダル４０
の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Ｎは機関
回転数を示している。また、図１１においてＸ（Ｎ）は
第一の運転領域Ｉと第二の運転領域IIとの第一の境界を
示しており、Ｙ（Ｎ）は第一の運転領域Ｉと第二の運転
領域IIとの第二の境界を示している。第一の運転領域Ｉ
から第二の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第一の
境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第二の運転領域IIから
第一の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第二の境界
Ｙ（Ｎ）に基づいて行われる。

【００４８】即ち、機関の運転状態が第一の運転領域Ｉ
にあって低温燃焼が行われている時に要求負荷Ｌが機関
回転数Ｎの関数である第一の境界Ｘ（Ｎ）を超えると運
転領域が第二の運転領域IIに移ったと判断され、従来の
燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Ｌが機
関回転数Ｎの関数である第二の境界Ｙ（Ｎ）よりも低く
なると運転領域が第一の運転領域Ｉに移ったと判断さ
れ、再び低温燃焼が行われる。

【００４９】図１２は空燃比センサ２１の出力を示して
いる。図１２に示されるように空燃比センサ２１の出力
電流Ｉは空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。従って空燃比
センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を知ることができ
る。次に図１３を参照しつつ第一の運転領域Ｉ及び第二
の運転領域IIにおける運転制御について概略的に説明す
る。

【００５０】図１３は要求負荷Ｌに対するスロットル弁
１６の開度、ＥＧＲ制御弁２３の開度、ＥＧＲ率、空燃
比、噴射時期及び噴射量を示している。図１３に示され
るように要求負荷Ｌの低い第一の運転領域Ｉではスロッ
トル弁１６の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉
近くから半開程度まで徐々に増大させられ、ＥＧＲ制御
弁２３の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近く
から全開まで徐々に増大させられる。また、図１３に示
される例では第一の運転領域ＩではＥＧＲ率がほぼ７０
パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリーン
なリーン空燃比とされている。

【００５１】言い換えると第一の運転領域ＩではＥＧＲ
率がほぼ７０パーセントとなり、空燃比がわずかばかり
リーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁１６の
開度及びＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。なお、
この時の空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づい
てＥＧＲ制御弁２３の開度を補正することによって目標
リーン空燃比に制御される。また、第一の運転領域Ｉで
は圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場
合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて
遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅く
なるにつれて遅くなる。

【００５２】なお、アイドリング運転時にはスロットル
弁１６は全閉近くまで閉弁され、この時にはＥＧＲ制御
弁２３も全閉近くまで閉弁させられる。スロットル弁１
６を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室５内の圧
力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が
小さくなるとピストン４による圧縮仕事が小さくなるた
めに機関本体１の振動が小さくなる。即ち、アイドリン
グ運転時には機関本体１の振動を抑制するためにスロッ
トル弁１６が全閉近くまで閉弁させられる。

【００５３】一方、機関の運転領域が第一の運転領域Ｉ
から第二の運転領域IIに変わるとスロットル弁１６の開
度が半開状態から全開方向へステップ状に増大させられ
る。この時に図１３に示す例ではＥＧＲ率がほぼ７０パ
ーセントから４０パーセント以下までステップ状に減少
させられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、
ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲（図
１６）を飛び越えるので機関の運転領域が第一の運転領
域Ｉから第二の運転領域IIに変わるときに多量のスモー
クが発生することがない。

【００５４】第二の運転領域IIでは従来から行われてい
る燃焼が行われる。この燃焼方法では煤及びＮＯ_Xが若
干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機
関の運転領域が第一の運転領域Ｉから第二の運転領域II
に変わると図１３に示されるように噴射量がステップ状
に低減させられる。

【００５５】第二の運転領域IIではスロットル弁１６は
一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ制御弁２３の
開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。こ
の運転領域IIではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど
低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくな
る。ただし、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン
空燃比とされる。また、第二の運転領域IIでは噴射開始
時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。

【００５６】図１４は第一の運転領域Ｉにおける空燃比
Ａ／Ｆを示している。図１４において、Ａ／Ｆ＝１５．
５、Ａ／Ｆ＝１６、Ａ／Ｆ＝１７、Ａ／Ｆ＝１８で示さ
れる各曲線は夫々空燃比が１５．５、１６、１７、１８
である時を示しており、各曲線間の空燃比は比例配分に
より定められる。図１４に示されるように第一の運転領
域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第一の運転
領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリ
ーンとされる。

【００５７】即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼によ
る発熱量が少なくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほ
どＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができ
る。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、従っ
て図１４に示されるように要求負荷Ｌが低くなるにつれ
て空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きく
なるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比
をリーンにするために本実施例では要求負荷Ｌが低くな
るにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。

【００５８】なお、空燃比を図１４に示す目標空燃比と
するのに必要なスロットル弁１６の目標開度ＳＴが図１
５（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎ
の関数としてマップの形で予めＲＯＭ内に記憶されてお
り、空燃比を図１４に示す目標空燃比とするのに必要な
ＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１５（Ｂ）に示さ
れるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマ
ップの形で予めＲＯＭ内に記憶されている。

【００５９】図１６は第二燃焼、即ち従来の燃焼方法に
よる普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示してい
る。なお、図１６においてＡ／Ｆ＝２４、Ａ／Ｆ＝３
５、Ａ／Ｆ＝４５、Ａ／Ｆ＝６０で示される各曲線は夫
々目標空燃比２４、３５、４５、６０を示している。空
燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁１
６の目標開度ＳＴが図１７（Ａ）に示されるように要求
負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予め
ＲＯＭ内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃比と
するのに必要なＥＧＲ制御弁２３の目標開度ＳＥが図１
７（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎ
の関数としてマップの形で予めＲＯＭ内に記憶されてい
る。

【００６０】こうして、本実施例のディーゼルエンジン
では、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機関回転
数Ｎとに基づき、第一燃焼、すなわち、低温燃焼と、第
二燃焼、すなわち、普通の燃焼とが切り換えられ、各燃
焼において、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ及び機
関回転数Ｎとに基づき、図１５又は図１７に示すマップ
によってスロットル弁１６及びＥＧＲ制御弁２３の開度
制御が実施される。

【００６１】次に、図１８にパティキュレートフィルタ
７０の構造を示す。なお、図１８において、（Ａ）はパ
ティキュレートフィルタ７０の正面図であり、（Ｂ）は
側面断面図である。これらの図に示すように、本パティ
キュレートフィルタ７０は、長円正面形状を有し、例え
ば、コージライトのような多孔質材料から形成されたハ
ニカム構造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線
方向に延在する隔壁５４によって細分された多数の軸線
方向空間を有している。隣接する二つの軸線方向空間に
おいて、栓５３によって、一方は排気下流側で閉鎖さ
れ、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接す
る二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路５０
となり、他方は流出通路５１となり、排気ガスは、図１
８（Ｂ）に矢印で示すように、必ず隔壁５４を通過す
る。排気ガス中のパティキュレートは、隔壁５４の細孔
の大きさに比較して非常に小さいものであるが、隔壁５
４の排気上流側表面上及び隔壁５４内の細孔表面上に衝
突して捕集される。こうして、各隔壁５４は、パティキ
ュレートを捕集する捕集壁として機能する。本パティキ
ュレートフィルタ７０において、捕集されたパティキュ
レートを酸化除去するために、隔壁５４の両側表面上、
及び、好ましくは隔壁５４内の細孔表面上にもアルミナ
等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触
媒とが担持されている。

【００６２】活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出する
ことによってパティキュレートの酸化を促進するもので
あり、好ましくは、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を
取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると
保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。

【００６３】貴金属触媒としては、通常、白金Ｐｔが用
いられており、活性酸素放出剤としてカリウムＫ、ナト
リウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウム
Ｒｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウム
Ｃａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、
ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、及び遷
移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。

【００６４】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。

【００６５】次に、このような活性酸素放出剤を担持す
るパティキュレートフィルタによって、捕集されたパテ
ィキュレートがどのように酸化除去されるかについて、
白金Ｐｔ及びカリウムＫの場合を例にとって説明する。
他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土
類、遷移金属を用いても同様なパティキュレート除去作
用が行われる。

【００６６】ディーゼルエンジンでは通常空気過剰のも
とで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を
含んでいる。即ち、吸気通路及び燃焼室内に供給された
空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると、この
空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内ではＮＯ
が発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。ま
た、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳ
は燃焼室内で酸素と反応してＳＯ₂となる。従って排気
ガス中にはＳＯ₂が含まれている。従って過剰酸素、Ｎ
Ｏ及びＳＯ₂を含んだ排気ガスがパティキュレートフィ
ルタ７０の排気上流側へ流入することになる。

【００６７】図１９（Ａ）及び（Ｂ）はパティキュレー
トフィルタ７０における排気ガス接触面の拡大図を模式
的に表している。なお、図１９（Ａ）及び（Ｂ）におい
て６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウム
Ｋを含んでいる活性酸素放出剤を示している。

【００６８】上述したように排気ガス中には多量の過剰
酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフ
ィルタの排ガス接触面内に接触すると、図１９（Ａ）に
示されるようにこれら酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-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Ｏ₂ ^-又はＯ^2-と反応し、ＮＯ₂となる
（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。次いで生成されたＮＯ₂の
一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内
に吸収され、カリウムＫと結合しながら図１９（Ａ）に
示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で活性酸素放出剤
６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ₃を生成する。こ
のようにして、本実施例では、排気ガスに含まれる有害
なＮＯ_xをパティキュレートフィルタ７０に吸収し、大
気中への放出量を大幅に減少させることができる。

【００６９】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ＳＯ₂もＮＯと同様なメカニズム
によって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上
述したように酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの
表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ₂は白金Ｐｔの
表面でＯ₂ ^-又はＯ^2-と反応してＳＯ₃となる。次いで生
成されたＳＯ₃の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ
活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合し
ながら硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で活性酸素放出剤６１内
に拡散し、硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄を生成する。このよう
にして活性酸素放出触媒６１内には硝酸カリウムＫＮＯ
₃及び硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄が生成される。

【００７０】排気ガス中のパティキュレートは、図１９
（Ｂ）において６２で示されるように、パティキュレー
トフィルタに担持された活性酸素放出剤６１の表面上に
付着する。この時、パティキュレート６２と活性酸素放
出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度
が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との
間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸
素がパティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接
触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放
出剤６１内に形成されている硝酸カリウムＫＮＯ₃がカ
リウムＫと酸素ＯとＮＯとに分解され、酸素Ｏがパティ
キュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向か
い、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。
外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸
化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。

【００７１】一方、この時、活性酸素放出剤６１内に形
成されている硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄もカリウムＫと酸素
ＯとＳＯ₂とに分解され、酸素Ｏがパティキュレート６
２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ₂が
活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出
されたＳＯ₂は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、
再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。但し、硫酸カ
リウムＫ₂ＳＯ₄は、安定化しているために、硝酸カリウ
ムＫＮＯ₃に比べて活性酸素を放出し難い。

【００７２】一方、パティキュレート６２と活性酸素放
出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮ
Ｏ₃や硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄のような化合物から分解さ
れた酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエ
ネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って
パティキュレート６２と活性酸素放出剤６１との接触面
に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。これら活性酸
素Ｏがパティキュレート６２に接触するとパティキュレ
ート６２は輝炎を発することなく酸化せしめられる。ま
た、パティキュレート６２を酸化する活性酸素Ｏは、活
性酸素放出剤６１へＮＯ及びＳＯ₂が吸収される時にも
放出される。

【００７３】ところで白金Ｐｔ及び活性酸素放出剤６１
はパティキュレートフィルタの温度が高くなるほど活性
化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１から放出
される活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタの温
度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、
パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易
くなる。従ってパティキュレートフィルタ上において単
位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを
酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレー
トフィルタの温度が高くなるほど増大する。

【００７４】図２０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２０において横軸はパティキュレー
トフィルタの温度ＴＦを示している。単位時間当りに燃
焼室から排出されるパティキュレートの量を排出微粒子
量Ｍと称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒
子量Ｇよりも少ない時、即ち図２０の領域Ｉでは燃焼室
から排出された全てのパティキュレートがパティキュレ
ートフィルタに捕集されると短時間のうちにパティキュ
レートフィルタにおいて輝炎を発することなく酸化除去
せしめられる。ここで、短時間とは、酸化除去され易い
パティキュレートでは数秒であるが、酸化除去され難い
パティキュレートでは数十分となることもある。

【００７５】これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可
能微粒子量Ｇよりも多い時、即ち図２０の領域IIでは全
てのパティキュレートを酸化するには活性酸素量が不足
している。図２１（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合にお
けるパティキュレートの酸化の様子を示している。

【００７６】即ち、全てのパティキュレートを酸化する
には活性酸素量が不足している場合には図２１（Ａ）に
示すようにパティキュレート６２が活性酸素放出剤６１
上に付着するとパティキュレート６２の一部のみが酸化
され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分が
パティキュレートフィルタの排気上流側面上に残留す
る。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると
次から次へと酸化されなかったパティキュレート部分が
排気上流面上に残留し、その結果図２１（Ｂ）に示され
るようにパティキュレートフィルタの排気上流面が残留
パティキュレート部分６３によって覆われるようにな
る。

【００７７】このような残留パティキュレート部分６３
は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排
気上流面が残留パティキュレート部分６３によって覆わ
れると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ₂の酸化作用及び活性
酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が抑制され
る。それにより、時間を掛ければ徐々に残留パティキュ
レート部分６３を酸化させることができるが、図２１
（Ｃ）に示されるように残留パティキュレート部分６３
の上に別のパティキュレート６４が次から次へと堆積し
て、即ち、パティキュレートが積層状に堆積すると、こ
れらパティキュレートは、白金Ｐｔや活性酸素放出剤か
ら距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキ
ュレートであっても活性酸素によって酸化されることは
ない。従ってこのパティキュレート６４上に更に別のパ
ティキュレートが次から次へと堆積する。即ち、排出微
粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継
続するとパティキュレートフィルタ上にはパティキュレ
ートが積層状に堆積してしまう。

【００７８】このように図２０の領域Ｉではパティキュ
レートはパティキュレートフィルタ上において輝炎を発
することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図２０の
領域IIではパティキュレートがパティキュレートフィル
タ上に積層状に堆積する。従って、排出微粒子量Ｍと酸
化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉにすれば、パテ
ィキュレートフィルタ上へのパティキュレートの堆積を
防止することができる。しかしながら、これが常に実現
されるとは限らず、何もしなければパティキュレートフ
ィルタにはパティキュレートが堆積することがある。

【００７９】パティキュレートの堆積を防止するため
に、本実施例のパティキュレートフィルタは、以下に詳
細に説明するように、排気上流側と排気下流側とを逆転
することが可能な構成を採用している。図２２は本実施
例の排気浄化装置を示す平面図であり、図２３はその側
面図である。本排気浄化装置は、排気マニホルド１７の
下流側に排気管１８を介して接続された切換部７１と、
パティキュレートフィルタ７０と、パティキュレートフ
ィルタ７０の一方側と切換部７１とを接続する第一接続
部７２ａと、パティキュレートフィルタ７０の他方側と
切換部７１とを接続する第二接続部７２ｂと、切換部７
１の下流側の排気通路７３とを具備している。切換部７
１は、切換部７１内で排気流れを遮断することを可能と
する弁体７１ａを具備している。弁体７１は、負圧アク
チュエータ又はステップモータ等によって駆動される。
弁体７１ａの第一遮断位置において、切換部７１内の上
流側が第一接続部７２ａと連通されると共に切換部７１
内の下流側が第二接続部７２ｂと連通され、排気ガス
は、図２２に矢印で示すように、パティキュレートフィ
ルタ７０の一方側から他方側へ流れる。

【００８０】また、図２４は、弁体７１ａの第二遮断位
置を示している。この遮断位置において、切換部７１内
の上流側が第二接続部７２ｂと連通されると共に切換部
７１内の下流側が第一接続部７２ａと連通され、排気ガ
スは、図２４に矢印で示すように、パティキュレートフ
ィルタ７０の他方側から一方側へ流れる。こうして、弁
体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置の一方から他
方へ切り換えることによって、パティキュレートフィル
タ７０へ流入する排気ガスの方向を逆転することがで
き、すなわち、パティキュレートフィルタ７０の排気上
流側と排気下流側とを逆転することが可能となる。

【００８１】図２６は、パティキュレートフィルタの隔
壁５４の拡大断面図である。図２６（Ａ）に格子で示す
ように、排気ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側
表面及び細孔内の排気ガス流対向面は、一方の捕集面と
してパティキュレートを衝突捕集し、活性酸素放出剤に
より酸化除去するが、この酸化除去が不十分となってパ
ティキュレートが残留することがある。この時点では、
パティキュレートフィルタの排気抵抗は車両走行に悪影
響を与えるほどではないが、さらにパティキュレートが
堆積すれば、機関出力の大幅な低下等の問題を発生す
る。排気ガス中に含まれるパティキュレート量がそれほ
ど多くない時には、パティキュレートフィルタの排気上
流側と排気下流側とが逆転される。それにより、隔壁５
４の一方の捕集面に残留するパティキュレート上には、
さらにパティキュレートが堆積することはなく、一方の
捕集面から放出される活性酸素によって残留パティキュ
レートは徐々に酸化除去される。また、残留パティキュ
レートは、逆方向の排気ガス流によって、図２６（Ｂ）
に示すように、容易に破壊されて細分化され、細孔内を
主に下流側へ流動する。

【００８２】それにより、細分化された多くのパティキ
ュレートは、隔壁の細孔内に分散し、隔壁の細孔内表面
に担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除
去される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも
活性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレ
ートを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化
除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった
隔壁５４の他方の捕集面、すなわち、現在において排気
ガスが主に衝突する隔壁５４の排気上流側表面及び細孔
内の排気ガス流対向面（一方の捕集面とは反対側の関係
となる）では、排気ガス中の新たなパティキュレートが
付着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素やＮＯ
_x及びＳＯ_xを吸収する際に活性酸素放出剤から放出され
た活性酸素によって酸化除去される。これらの酸化除去
の際に活性酸素放出剤から放出された活性酸素の一部
は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流に
よっても依然として残留するパティキュレートを酸化除
去する。

【００８３】すなわち、隔壁における一方の捕集面の残
留パティキュレートには、この捕集面から放出される活
性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方
の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された
残りの活性酸素が排気ガスと共に到来する。それによ
り、弁体の切り換え時点において、隔壁の一方の捕集面
にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたと
しても、排気ガスを逆流させれば、残留パティキュレー
ト上に堆積するパティキュレートへも活性酸素が到来す
ることに加えて、さらにパティキュレートが堆積するこ
とはないために、堆積パティキュレートは徐々に酸化除
去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、
この間で十分に酸化除去可能である。

【００８４】また、パティキュレートフィルタにおいて
は、排気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積
が必要とされるが、本排気浄化装置では、図２２及び２
３に示すように、車両搭載性を悪化させることなく、大
きな開口面積を有するパティキュレートフィルタを使用
可能である。

【００８５】この一方で、本排気浄化装置は、パティキ
ュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転す
るために、弁体７１ａを第一遮断位置及び第二遮断位置
の一方から他方へ回動させる間において、図２５に示す
ように、排気ガスがパティキュレートフィルタを通過せ
ずに大気中へ放出されてしまう。

【００８６】以上のように、機関運転時には、パティキ
ュレートが堆積するのを防ぐように弁体７１ａを定期的
に又は不定期に切り換えて運転している。しかしなが
ら、実際には、車両が所定時間又は所定走行距離を走行
する間には、図２０の領域IIでの運転が実施されること
もあり、パティキュレートが堆積してしまうことがあ
る。

【００８７】したがって、パティキュレートフィルタ７
０にパティキュレートが堆積してしまうのを防止するた
めに、前述したように弁体７１ａを作動制御することに
加えて、パティキュレートの酸化除去能力を向上させる
ことが必要である。そこで、以下に詳細に説明するよう
に、本発明では、排気中でプラズマを発生させ、パティ
キュレートの酸化除去能力を向上させている。

【００８８】次にプラズマ発生装置８０の構成について
説明する。プラズマ発生装置８０は排気マニホルド１７
の下流かつパティキュレートフィルタ７０の上流に配置
されている。プラズマ発生装置８０は、互いに離間した
二つの棒状の電極を配置した構成となっている。プラズ
マ発生装置８０は、電子制御ユニット３０からの制御信
号に基づいて作動し、作動時には両電極間に高周波の高
電圧パルスを印加することによってコロナ放電を発生さ
せる。

【００８９】次にプラズマ発生装置８０の作動について
説明する。プラズマ発生装置８０を作動して両電極間に
コロナ放電を発生させると、両電極間の酸素、ＮＯ_X、
ＣＯ及びＨＣは電離してプラズマ化され、活性の高い活
性酸素Ｏ、ＮＯ_X ^*、ＣＯ^*及びＨＣ^*にそれぞれ変換され
る。活性酸素Ｏはパティキュレートを直接的に酸化する
ことができるため、パティキュレートの酸化除去能力が
向上する。また、ＮＯ_X ^* はＮＯ_Xよりも活性酸素放出剤
に吸蔵されやすくなり、ＮＯ_Xを放出する際に放出する
活性酸素の量を増加させることが可能となるため、パテ
ィキュレートの酸化除去能力が向上する。また、Ｃ
Ｏ^*、ＨＣ^*は高いエネルギを持ち、パティキュレートフ
ィルタ上で燃焼しやすくなり、その結果、パティキュレ
ートフィルタが昇温してパティキュレートがフィルタ上
で酸化除去能力が向上することとなる。以上のように、
プラズマ発生装置８０を排気中で作動することにより、
パティキュレートの酸化除去能力を向上させる効果があ
る。

【００９０】このようにプラズマ発生装置８０を作動し
てパティキュレートの酸化除去能力を向上させる時期
は、プラズマ発生装置８０による消費電力を低減するた
めに、パティキュレートの酸化除去能力が不十分となっ
てパティキュレートフィルタにパティキュレートが堆積
する可能性がある機関状態の時に限定することが望まし
い。本実施例では、パティキュレートの酸化除去能力が
不十分である条件として以下の６つの条件が挙げられ
る。第一の条件は機関状態がリッチスパイクの時であ
り、第二の条件は排気中の酸素濃度が低い時であり、第
三の条件は機関状態が低温燃焼の時であり、第四の条件
はパティキュレートが連続酸化除去できない時であり、
第五の条件は排気中のＮＯ_X濃度が低い時であり、第六
の条件はパティキュレートフィルタの温度が低い時であ
る。これら６つの条件について以下に詳細に説明する。

【００９１】最初に第一の条件、すなわち機関状態がリ
ッチスパイクの時について説明する。リッチスパイクと
は、例えば、高負荷運転のように燃焼ガスの空燃比を一
時的にリッチにすることである。排気ガスの空燃比をリ
ッチにすると、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下
させると、活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが
一気に放出される。この一気に放出された活性酸素Ｏに
よって、堆積パティキュレートは酸化され易いものとな
って容易に酸化除去される。一方、空燃比がリーンに維
持されていると白金Ｐｔの表面が酸素で覆われ、いわゆ
る白金Ｐｔの酸素被毒が生じる。このような酸素被毒が
生じるとＮＯ_Xに対する酸化作用が低下するためにＮＯ_X
の吸収効率が低下し、斯くして活性酸素放出剤６１から
の活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリ
ッチにされると白金Ｐｔ表面上の酸素が消費されるため
に酸素被毒が解消され、従って空燃比が再びリッチから
リーンに切り換えられるとＮＯ_Xに対する酸化作用が強
まるためにＮＯ_Xの吸収効率が高くなり、斯くして活性
酸素放出剤６１からの活性酸素放出量が増大する。従っ
て、空燃比がリーンに維持されている時に空燃比を時折
リーンからリッチに一時的に切り換えるとその都度白金
Ｐｔの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンであ
る時の活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレ
ートフィルタ７０上におけるパティキュレートの酸化作
用を促進することができる。さらに、この酸素被毒の解
消は、言わば、還元物質の燃焼であるために、発熱を伴
ってパティキュレートフィルタを昇温させる。それによ
り、パティキュレートフィルタにおける酸化除去可能微
粒子量が向上し、さらに、残留及び堆積パティキュレー
トの酸化除去が容易となるという効果がある。

【００９２】好ましくは、弁体７１ａによってパティキ
ュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換
えた直後にリッチスパイクを実施すると、パティキュレ
ートが残留していないパティキュレートフィルタ隔壁に
おける他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性
酸素を放出し易いために、さらに多量に放出される活性
酸素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートを
さらに確実に酸化除去することができる。当然、弁体７
１ａの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比をリ
ッチにしても良く、それにより、パティキュレートフィ
ルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。

【００９３】前述したように、リッチスパイクには、パ
ティキュレートの酸化除去作用と酸素被毒の解消効果が
向上する。しかしながら、リッチスパイクをさらに持続
すると、以下に説明するように活性酸素量が減少し、パ
ティキュレートの酸化除去能力が不十分となるという問
題がある。空燃比と活性酸素量を示す図２７に示すよう
に、空燃比ＡＦがリーンの時には、パティキュレートフ
ィルタの活性酸素放出剤６１の周囲には酸素が過剰に存
在するため、パティキュレートフィルタ中の活性酸素放
出剤６１は酸素を取り込んで酸素を保持しており、活性
酸素量は必要活性酸素量を上回っている。時間Ｔ₀にお
いてリッチスパイクを開始する、すなわち排気中の空燃
比ＡＦがリーンからリッチとなると、パティキュレート
フィルタの活性酸素放出剤の周囲には酸素が不足するた
め、活性酸素放出剤６１からリーン時に保持した酸素を
活性酸素の形で放出し、活性酸素量は増加する。さらに
リッチスパイクを継続すると、一定時間後Ｔ₁では活性
酸素量が最大となり、リーン時に活性酸素放出剤６１で
保持していた酸素を放出し尽くして減少し続ける。さら
にリッチスパイクを継続すると、時間Ｔ₂には活性酸素
量が必要活性酸素量を下回ってパティキュレートの酸化
除去能力が不十分となってしまう。したがって、活性酸
素が不足してパティキュレートの酸化除去能力が不十分
となるのを防ぐため、リッチスパイク時にはプラズマ発
生装置を作動してパティキュレートの酸化除去能力を向
上させることが必要である。

【００９４】次にリッチスパイク時のプラズマ発生装置
の作動について説明する。空燃比センサ２１によって検
出した空燃比ＡＦが設定した空燃比ＡＦ₀よりも大きい
場合にはリッチスパイクであると判断して所定時間後に
プラズマ発生装置を作動すると、酸素が活性酸素Ｏに変
換されてパティキュレートの酸化除去能力が向上する。
また、高いエネルギを有するＨＣ^*やＣＯ^*はパティキュ
レートフィルタ上で燃焼しやすくなり、パティキュレー
トフィルタが昇温してパティキュレートの酸化除去能力
を向上させる効果を奏する。

【００９５】次に、第二の条件、すなわち排気中の酸素
濃度が低い時について説明する。低酸素濃度は、例え
ば、大量ＥＧＲ運転や、空燃比が１５〜２０の低空燃比
運転時に実現される。図２８は酸素濃度とパティキュレ
ートの酸化除去可能微粒子量の関係を示している。図２
８の実線に示すように、排気中の酸素濃度が低い時に
は、パティキュレートの酸化に寄与する活性酸素Ｏが不
足するため、パティキュレートの酸化除去能力が低い。
したがって、活性酸素が不足してパティキュレートの酸
化除去能力が不十分となるのを防ぐため、低酸素濃度時
にはプラズマ発生装置を作動してパティキュレートの酸
化除去能力を向上させることが必要である。

【００９６】排気ガス中の酸素濃度［Ｏ₂］は、本発明
による実施例では、排気ガス中の酸素濃度［Ｏ₂］が要
求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図３１
（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ内に記憶さ
れており、このマップから排気ガス中の酸素濃度
［Ｏ₂］が算出される。算出した酸素濃度［Ｏ₂］が設定
した酸素濃度［Ｏ₂］₀未満である場合には排気ガス中の
酸素濃度が低いと判断して低酸素濃度時にプラズマ発生
装置を作動すると、酸素が活性酸素Ｏに変換されてパテ
ィキュレートの酸化除去能力が向上する。また、高いエ
ネルギを有するＨＣ^*やＣＯ^*はパティキュレートフィル
タ上で燃焼しやすくなり、パティキュレートフィルタが
昇温してパティキュレートの酸化除去能力を向上させる
効果を奏する。このように、プラズマ発生装置を作動す
ることにより、図２８の破線に示すように酸化除去能力
を向上させることができる。

【００９７】次に、第三の条件、すなわち機関状態が低
温燃焼の時について説明する。低温燃焼とは、前述した
ように、煤の発生量が最大となる最悪不活性ガス量より
も燃焼室内の不活性ガス量を多くした燃焼方式であり、
煤がほとんど発生しない燃焼のことである。低温燃焼時
には、酸素量が少ないため、活性酸素を一時的に放出す
るが、このような状態が長く続くと、パティキュレート
の酸化に寄与する活性酸素Ｏが不足するため、パティキ
ュレートの酸化除去能力が低下する。したがって、活性
酸素が不足してパティキュレートの酸化除去能力が不十
分となるのを防ぐため、プラズマ発生装置を作動してパ
ティキュレートの酸化除去能力を向上させることが必要
である。

【００９８】低温燃焼時にプラズマ発生装置を作動する
と、酸素が活性酸素Ｏに変換されてパティキュレートの
酸化除去能力が向上する。また、高いエネルギを有する
ＨＣ ^*やＣＯ^*はパティキュレートフィルタ上で燃焼しや
すくなり、パティキュレートフィルタが昇温してパティ
キュレートの酸化除去能力を向上させる効果を奏する。

【００９９】次に、第四の条件、すなわちパティキュレ
ートが連続酸化除去できない時について説明する。パテ
ィキュレートが連続酸化除去できない時とは、単位時間
当たりに燃焼室から排出される微粒子量が、単位時間当
りにパティキュレートフィルタで酸化除去される量より
も多くなった時のことをいう。前述したようにパティキ
ュレートがパティキュレートフィルタ７０上に付着する
とこのパティキュレートは短時間のうちに酸化させられ
る。ところが、このパティキュレートが完全に酸化除去
させられる前に他のパティキュレートが次から次へとパ
ティキュレートフィルタ７０に付着する。したがって、
実際にはパティキュレート上にはある程度の量のパティ
キュレートが常に堆積しており、この堆積しているパテ
ィキュレートのうちの一部のパティキュレートが酸化除
去させられる。この場合、単位時間当りに酸化除去させ
られるパティキュレートＧが排出微粒子量Ｍと同じであ
れば排気ガス中の全パティキュレートはパティキュレー
トフィルタ７０上において酸化除去させられる。しかし
ながら、排出微粒子量が単位時間当りに酸化除去させら
れる微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィ
ルタ７０上の堆積微粒子量は次第に増大し、ついにはパ
ティキュレートが積層状に堆積して低い温度では着火し
えなくなる。したがって、プラズマ発生装置を作動して
パティキュレートの酸化除去能力を向上させることが必
要である。

【０１００】後述する方法で算出した排出微粒子量Ｍが
酸化除去可能微粒子量Ｇよりも大きい場合においてパテ
ィキュレートが連続酸化除去できないと判断してプラズ
マ発生装置を作動すると、排気中の酸素、ＮＯ_X、Ｈ
Ｃ、ＣＯを活性酸素Ｏ、ＮＯ_X ^*、ＨＣ^*、ＣＯ^*にそれぞ
れ変換する。こうして、活性酸素Ｏの増加により、パテ
ィキュレートを直接的に酸化除去する能力が向上する。
また、活性の高いＮＯ_X ^*がパティキュレートフィルタに
吸蔵されやすくなるため、活性酸素が増加することとな
る。さらに、高いエネルギを有するＨＣ^*、ＣＯ^*はパテ
ィキュレートフィルタ上で燃焼しやすくなり、パティキ
ュレートフィルタが昇温してパティキュレートの酸化除
去能力を向上させる効果を奏する。

【０１０１】以下に、酸化除去可能微粒子量Ｇと排出微
粒子量Ｍの算出方法について説明する。図２０におい
て、酸化除去可能微粒子量Ｇは、パティキュレートフィ
ルタ７０の温度ＴＦのみの関数として示されているが、
実際には、この酸化除去可能微粒子量Ｇは、排気ガス中
の酸素濃度、排気ガス中のＮＯ_X濃度、排気ガス中の未
燃ＨＣ濃度、パティキュレートの酸化のしやすさの程
度、パティキュレートフィルタ７０内における排気ガス
流の空間速度、排気ガス圧等の関数でもある。したがっ
て、酸化除去可能微粒子量Ｇは、パティキュレートフィ
ルタ７０の温度ＴＦを含む上述の全ての因子の影響を考
慮に入れて算出することが好ましい。

【０１０２】しかしながら、これらの因子のうちで酸化
除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるのはパテ
ィキュレートフィルタ７０の温度ＴＦであり、比較的大
きな影響を与えるのは排気ガス中の酸素濃度とＮＯ_X濃
度である。図２９（Ａ）はパティキュレートフィルタ７
０の温度ＴＦ及び排気ガス中の酸素が変化したときの酸
化除去可能微粒子量Ｇの変化を示しており、図２９
（Ｂ）はパティキュレートフィルタ７０の温度ＴＦ及び
排気ガス中のＮＯ_X濃度が変化したときの酸化除去可能
微粒子量Ｇの変化を示している。なお、図２９（Ａ）及
び（Ｂ）において破線は排気ガス中の酸素濃度及びＮＯ
_X濃度が基準値であるときを示しており、図２９（Ａ）
において、［Ｏ₂］₁は基準値よりも排気ガス中の酸素濃
度が高いとき、［Ｏ₂］₂は［Ｏ₂］₁よりもさらに酸化濃
度が高いときをそれぞれ示しており、図２９（Ｂ）にお
いて、［ＮＯ₂］₁は基準値よりも排気ガス中のＮＯ_X濃
度が高いとき、［ＮＯ₂］₂は［ＮＯ₂］₁よりもさらにＮ
Ｏ_X濃度が高いときをそれぞれ示している。

【０１０３】排気ガス中の酸素濃度が高くなるとそれだ
けでも酸化除去可能微粒子量Ｇが増大するが活性酸素放
出剤６１内に取り込まれる酸素量が増大するので活性酸
素放出剤６１から放出される活性酸素も増大する。した
がって、図２９（Ａ）に示されるように排気ガス中の酸
素濃度が高くなるほど酸化除去可能微粒子量Ｇは増大す
る。一方、排気ガス中のＮＯは前述したように白金Ｐｔ
の表面上において酸化されてＮＯ₂となる。このように
して生成されたＮＯ₂の一部は活性酸素放出剤６１内に
吸収され、残りのＮＯ₂は白金Ｐｔの表面から外部に離
脱する。このとき、パティキュレートはＮＯ₂と接触す
ると酸化反応が促進され、したがって、図２９（Ｂ）に
示されるように、排気ガス中のＮＯ_X濃度が高くなるほ
ど酸化除去微粒子量Ｇは増大する。ただし、このＮＯ₂
によるパティキュレートの酸化促進作用は排気ガス温が
ほぼ２５０℃からほぼ４５０℃の間でしか生じないの
で、図２９（Ｂ）に示されるように排気ガス中のＮＯ_X
濃度が高くなるとパティキュレートフィルタ７０の温度
ＴＦがほぼ２５０℃から４５０℃の間のときに酸化除去
可能微粒子量Ｇが増大する。

【０１０４】前述したように、酸化除去可能微粒子量Ｇ
は、酸化除去可能微粒子量Ｇに影響を与える全ての因子
を考慮に入れて算出することが好ましい。しかしなが
ら、本発明による実施例ではこれらの因子のうちで酸化
除去可能微粒子量Ｇに最も大きな影響を与えるパティキ
ュレートフィルタ７０の温度ＴＦと、比較的大きな影響
を与える排気ガス中の酸素濃度及びＮＯ_X濃度のみに基
づいて酸化除去可能微粒子量Ｇを算出するようにしてい
る。

【０１０５】すなわち、本発明による実施例では、図３
０の（Ａ）から（Ｆ）に示されるようにパティキュレー
トフィルタ７０の各温度ＴＦ（２００℃、２５０℃、３
００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃）における酸化
除去可能微粒子量Ｇがそれぞれ排気ガス中の酸素濃度
［Ｏ₂］と排気ガス中のＮＯ_X濃度［ＮＯ］の関数として
マップの形で予めＲＯＭ内に記憶されており、各パティ
キュレートフィルタ７０の温度ＴＦ、酸素濃度［Ｏ₂］
及びＮＯ_X濃度［ＮＯ］に応じた酸化除去可能微粒子量
Ｇが図３０の（Ａ）から（Ｆ）に示されるマップから比
例配分により算出される。

【０１０６】なお、排気ガス中の酸素濃度［Ｏ₂］及び
ＮＯ_X濃度［ＮＯ］は、酸素濃度センサ及びＮＯ_X濃度セ
ンサを用いて検出することができる。しかしながら本発
明による実施例では、排気ガス中の酸素濃度［Ｏ₂］及
びＮＯ_X濃度［ＮＯ］が要求トルクＴＱ及び機関回転数
Ｎの関数として図３１（Ａ）及び（Ｂ）に示すようなマ
ップの形で予めＲＯＭ内に記憶されており、これらのマ
ップから排気ガス中の酸素濃度［Ｏ₂］及びＮＯ_X濃度
［ＮＯ］が算出される。

【０１０７】一方、排出微粒子量Ｍは機関の型式によっ
て変化するが機関の型式が定まると要求トルクＴＱ及び
機関回転数Ｎの関数となる。図３２（Ａ）は図１に示さ
れる内燃機関の排出微粒子量Ｍを示しており、各曲線Ｍ
₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄、Ｍ₅は等排出微粒子量（Ｍ₁＜Ｍ₂＜
Ｍ₃＜Ｍ₄＜Ｍ₅）を示している。図３２（Ａ）に示され
る例では要求トルクＴＱが高くなるほど排出微粒子量Ｍ
が増大する。なお、図３２（Ａ）に示される排出微粒子
量Ｍは要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図
３２（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ内に記憶され
ている。

【０１０８】なお、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒
子量Ｇより多少多くてもパティキュレートフィルタ７０
上に堆積する微粒子量はさほど多くない。したがって、
排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇに小さな一定
値αを加算した許容量（Ｇ＋α）よりも大きくなった場
合に、プラズマ発生装置を作動するように設定してもよ
い。

【０１０９】次に、第五の条件、すなわち排気中のＮＯ
_X濃度が低い時について説明する。前述したように、パ
ティキュレートフィルタで活性酸素Ｏを保持するために
は排気ガス中のＮＯ₂を吸蔵することが必要であるが、
排気中のＮＯ_X濃度が低い時には、ＮＯ₂を吸蔵する量が
少なく、その結果、パティキュレートの酸化に寄与する
活性酸素Ｏを吸蔵する量が少なくなり、パティキュレー
トの酸化除去能力が不十分となってしまう。したがっ
て、活性酸素が不足してパティキュレートの酸化除去能
力が不十分となるのを防ぐため、低ＮＯ_X濃度時にはプ
ラズマ発生装置を作動してパティキュレートの酸化除去
能力を向上させることが必要である。

【０１１０】なお、排気ガス中のＮＯ_X濃度［ＮＯ］
は、ＮＯ_X濃度センサを用いて検出することができる。
排気ガス中のＮＯ_X濃度［ＮＯ］が要求トルクＴＱ及び
機関回転数Ｎの関数として図３１（Ｂ）に示すようなマ
ップの形で予めＲＯＭ内に記憶されており、このマップ
から排気ガス中のＮＯ_X濃度［ＮＯ］が算出される。

【０１１１】算出したＮＯ_X濃度［ＮＯ］が設定したＮ
Ｏ_X濃度［ＮＯ］₀未満である場合に排気中のＮＯ_X濃度
が低いと判断してプラズマ発生装置を作動すると、排気
中の酸素、ＮＯ_X、ＨＣ、ＣＯを活性酸素Ｏ、ＮＯ_X ^*、
ＨＣ^*、ＣＯ^*にそれぞれ変換する。こうして、活性酸素
Ｏが増加し、パティキュレートを直接的に酸化除去する
能力が向上する。また、活性の高いＮＯ_X ^*がパティキュ
レートフィルタに吸蔵されやすくなるため、活性酸素量
が増加することとなる。さらに、高いエネルギを有する
ＨＣ^*、ＣＯ^*はパティキュレートフィルタ上で燃焼しや
すくなり、パティキュレートフィルタが昇温してパティ
キュレートの酸化除去能力を向上させる効果を奏する。

【０１１２】最後に、第六の条件、すなわちパティキュ
レートフィルタ温度が低い時について説明する。図２４
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とパティキュレートフィルタ７
０の温度との関係を示す図である。図２４に示すよう
に、フィルタ温ＴＦが低い時には触媒が十分に活性化さ
れていないため、酸化除去可能微粒子量、すなわち酸化
除去能力が低い。したがって、パティキュレートの酸化
除去能力が不十分となるのを防ぐため、フィルタ温度Ｔ
Ｆが低い時にはプラズマ発生装置を作動してパティキュ
レートの酸化除去能力を向上させることが必要である。

【０１１３】温度センサで検出したパティキュレートフ
ィルタの温度ＴＦが設定した温度ＴＦ₀よりも小さい場
合には、パティキュレートフィルタの温度が低いと判断
し、プラズマ発生装置を作動すると、排気中の酸素、Ｎ
Ｏ_X、ＨＣ、ＣＯを活性酸素Ｏ、ＮＯ_X ^*、ＨＣ^*、ＣＯ^*
にそれぞれ変換する。こうして、活性酸素Ｏが増加し、
パティキュレートを直接的に酸化除去する能力が向上す
る。また、ＮＯ_X ^*の増加によりＮＯ_Xがパティキュレー
トフィルタに吸蔵されやすくなるため、活性酸素量が増
加することとなる。さらに、高いエネルギを有するＨＣ
^*、ＣＯ^*はパティキュレートフィルタ上で燃焼しやすく
なり、パティキュレートフィルタが昇温してパティキュ
レートの酸化除去能力を向上させる効果を奏する。この
ように、図３３中の破線に示すように、パティキュレー
トフィルタの温度が低い場合でも、パティキュレートの
酸化除去能力を向上させることができる。

【０１１４】次に、図３４を参照しつつ運転制御方法に
ついて説明する。図３４は機関の運転を制御するための
フローチャートである。まず初めにステップ１００で
は、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎと
に基づいて低温燃焼と通常燃焼のいずれかを選択し、選
択した燃焼において、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌ
及び機関回転数Ｎに基づいて図１５（Ａ）又は図１７
（Ａ）に示すマップによってスロットル弁１６の開度が
制御される。

【０１１５】次に、ステップ１０１では、選択した燃焼
において、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転
数Ｎとに基づいて図１５（Ｂ）又は図１７（Ｂ）に示す
マップによってＥＧＲ制御弁２３の開度が制御される。
次に、ステップ１０２では燃料噴射弁６からの噴射制御
が行われる。

【０１１６】ステップ１０３では、現在の機関運転状態
がリッチスパイク中であるか否かを判別する。すなわ
ち、検出した空燃比ＡＦが設定した空燃比値ＡＦ₀未満
である場合には、現在の機関運転状態がリッチスパイク
中であり、パティキュレートの酸化除去能力が不十分で
あると判断してステップ１１０に進む。一方、空燃比Ａ
ＦがＡＦ₀以上である場合には、現在の機関運転状態が
リッチスパイク中でないと判断してステップ１０４に進
む。

【０１１７】次に、ステップ１０４では、排気中の酸素
濃度が低いか否かを判別する。すなわち、排気中の酸素
濃度［Ｏ₂］が設定した値［Ｏ₂］₀未満である時には酸
素濃度が低く、パティキュレートの酸化除去能力が不十
分であると判断してステップ１１０に進む。一方、酸素
濃度［Ｏ₂］が［Ｏ₂］₀以上の時には酸素濃度が低くな
いと判断してステップ１０５に進む。

【０１１８】次に、ステップ１０５では、現在の機関運
転状態が低温燃焼であるか否かを判別する。すなわち、
ステップ１００で選択した燃焼が第一燃焼、即ち低温燃
焼である時には、パティキュレートの酸化除去能力が不
十分であると判断してステップ１１０に進む。一方、ス
テップ１００で選択した燃焼が第二燃焼、即ち通常燃焼
である場合にはステップ１０６に進む。

【０１１９】次に、ステップ１０６では、現在の機関運
転状態がパティキュレートフィルタ上のパティキュレー
トの連続酸化除去が不可能である機関状態であるか否か
について判別する。すなわち、算出した排出微粒子量Ｍ
が算出した酸化除去可能微粒子量Ｇよりも大きいか否か
について判別する。排出微粒子量Ｍは、図３２（Ｂ）に
示されるマップから算出し、酸化除去可能微粒子量Ｇ
は、図３０の（Ａ）から（Ｆ）に示されるマップからパ
ティキュレートフィルタの温度ＴＦ、排気ガス中の酸素
濃度［Ｏ₂］及び排気ガス中のＮＯ_X濃度［ＮＯ］に応じ
て算出する。算出した排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微
粒子量Ｇよりも大きいと判別されたときには、パティキ
ュレートの連続酸化除去が不可能であると判断してステ
ップ１１０に進む。一方、排出微粒子量Ｍが酸化除去可
能微粒子量Ｇ以下であると判別されたときには、パティ
キュレートの連続酸化除去が不可能でないと判断してス
テップ１０７に進む。

【０１２０】次に、ステップ１０７では、排気中のＮＯ
_X濃度が低いか否かについて判別する。すなわち、算出
したＮＯ_X濃度［ＮＯ］が設定した［ＮＯ］₀未満である
場合には、機関運転状態が低ＮＯ_X濃度であり、パティ
キュレートの酸化除去能力が不十分であると判断してス
テップ１１０に進む。一方、ＮＯ_X濃度［ＮＯ］が設定
した［ＮＯ］₀以上である場合には、低ＮＯ_X濃度でない
と判断してステップ１０８に進む。

【０１２１】次に、ステップ１０８において、パティキ
ュレートフィルタの温度が低いか否かについて判別す
る。すなわち、パティキュレートフィルタの温度ＴＦが
設定した値ＴＦ₀未満であるか否かを判別する。パティ
キュレートフィルタの温度ＴＦが設定した値ＴＦ₀未満
であり、パティキュレートの酸化除去能力が不十分であ
る場合には、パティキュレートフィルタ温度が低いと判
断してステップ１１０に進む。一方、パティキュレート
フィルタの温度ＴＦが設定した値ＴＦ₀以上である場合
には、パティキュレートフィルタ温度が低くない、すな
わち現在の機関運転状態はパティキュレートの酸化除去
能力が十分であると判断してステップ１０９に進む。

【０１２２】ステップ１１０では、プラズマ発生装置を
作動し、ステップ１０３に戻る。プラズマ発生装置を作
動することにより、排気中の酸素、ＮＯ_X、ＨＣ、ＣＯ
を活性酸素Ｏ、ＮＯ_X ^*、ＨＣ^*、ＣＯ^*にそれぞれ変換す
る。こうして、活性酸素Ｏの増加により、パティキュレ
ートを直接的に酸化除去する能力が向上する。また、Ｎ
Ｏ_X ^*はパティキュレートフィルタに吸蔵されやすくなる
ため、活性酸素を増加することとなる。さらに、高いエ
ネルギを有するＨＣ^*、ＣＯ^*はパティキュレートフィル
タ上で燃焼しやすくなり、パティキュレートフィルタが
昇温してパティキュレートの酸化除去能力を向上させる
効果を奏する。こうして、パティキュレートフィルタが
早期に目詰まりすることを防止すると共に、パティキュ
レート以外の排気ガスに含まれる有害物質の大気放出量
を良好に低減する。

【０１２３】一方、ステップ１０９では、パティキュレ
ートの酸化除去能力が十分であるので消費電力を節約す
るためにプラズマ発生装置の作動を停止させる。次に、
一定時間後にステップ１０３に戻って以上の制御を繰り
返す。このように、プラズマ発生装置８０を作動する時
期をパティキュレートの酸化除去能力が不十分となって
パティキュレートフィルタにパティキュレートが堆積す
る可能性がある機関状態の時に限定することにより、プ
ラズマ発生装置８０による消費電力を低減することがで
きる。

【０１２４】本実施例において、パティキュレートの酸
化除去能力、すなわち機関状態に関わらずプラズマ発生
装置で印加する電圧を一定としているが、これは本発明
を限定するものではなく、機関状態と印加電圧の大きさ
の関係をマップ化してパティキュレートの酸化除去能
力、すなわち機関状態に応じてプラズマ発生装置の印加
電圧量を決定してもよい。

【０１２５】ところで、排気ガス中のカルシウムＣａは
ＳＯ₃が存在すると、硫酸カルシウムＣａＳＯ₄を生成す
る。この硫酸カルシウムＣａＳＯ₄は、酸化除去され難
く、パティキュレートフィルタ上にアッシュとして残留
することとなる。従って、硫酸カルシウムの残留による
パティキュレートフィルタの目詰まりを防止するために
は、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイ
オン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、
例えばカリウムＫを用いることが好ましく、それによ
り、活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ₃はカリウム
Ｋと結合して硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄を形成し、カルシウ
ムＣａはＳＯ₃と結合することなくパティキュレートフ
ィルタの隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィ
ルタがアッシュによって目詰まりすることがなくなる。
こうして、前述したように活性酸素放出剤６１としては
カルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属
又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬ
ｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ス
トロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。

【０１２６】また、活性酸素放出剤としてパティキュレ
ートフィルタに白金Ｐｔのような貴金属のみを担持させ
ても、白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ₂又はＳＯ₃か
ら活性酸素を放出させることができる。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２０に示
す実線に比べて若干右側に移動する。また、活性酸素放
出剤としてセリアを用いることも可能である。セリア
は、排気ガス中の酸素濃度が高いと酸素を吸収し（Ｃｅ
₂Ｏ₃→２ＣｅＯ₂）、排気ガス中の酸素濃度が低下する
と活性酸素を放出する（２Ｃｅ₂Ｏ₂→Ｃｅ₂Ｏ₃）もので
あるために、パティキュレートの酸化除去のために、排
気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必
要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良
い。

【０１２７】また、活性酸素放出剤として排気ガス中の
ＮＯ_x浄化に使用されるＮＯ_x吸蔵還元触媒を用いること
も可能である。この場合においては、ＮＯ_x又はＳＯ_xを
放出させるために排気ガスの空燃比を少なくとも一時的
にリッチにする必要がある。

【０１２８】本実施例において、パティキュレートフィ
ルタ自身が活性酸素放出剤を担持して、この活性酸素放
出剤が放出する活性酸素によりパティキュレートが酸化
除去されるものとしたが、これは、本発明を限定するも
のではない。例えば、活性酸素及び活性酸素と同等に機
能する二酸化窒素等のパティキュレート酸化成分は、パ
ティキュレートフィルタ又はそれに担持させた物質から
放出されても、外部からパティキュレートフィルタへ流
入するようにしても良い。パティキュレート酸化成分が
外部から流入する場合においても、パティキュレートを
捕集するために、捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とを
交互に使用することで、排気下流側となった一方の捕集
面では、新たにパティキュレートが堆積することはな
く、この堆積パティキュレートを、他方の捕集面から流
入するパティキュレート酸化成分によって徐々にでも酸
化除去して、堆積パティキュレートをある程度の時間で
十分に酸化除去することが可能である。この間におい
て、他方の捕集面では、パティキュレートの捕集と共に
パティキュレート酸化成分による酸化が行われるため
に、前述同様な効果がもたらされる。

【０１２９】また、本実施例のディーゼルエンジンは、
低温燃焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとした
が、これは本発明を限定するものではなく、もちろん、
通常燃焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパテ
ィキュレートを排出するガソリンエンジンにも本発明は
適用可能である。

【０１３０】また、本実施例では、排気流が逆転する構
成のパティキュレートフィルタを例にとり説明したが、
単に排気通路に配置した排気流の逆転しない構成のパテ
ィキュレートフィルタにも本発明は適用可能である。

【０１３１】

【発明の効果】このように、本発明による排気浄化装置
によれば、機関排気系に配置されてパティキュレートを
捕集するパティキュレートフィルタと、機関排気系のパ
ティキュレートフィルタの上流側に配置されたプラズマ
発生装置とを具備し、パティキュレートフィルタは、捕
集したパティキュレートを酸化除去する酸化除去機能を
有し、酸化除去機能によるパティキュレートの酸化除去
能力が不十分となってパティキュレートフィルタにパテ
ィキュレートが堆積すると判断される機関状態の時に
は、プラズマ発生装置を作動することを特徴とする。そ
れにより、パティキュレートの酸化除去能力が不十分と
なった時に排気中の酸素を酸化能力の高い活性酸素に変
換し、パティキュレートの酸化除去能力を向上させるこ
とができ、多量のパティキュレートが大気中へ放出され
ないようにすると共に、パティキュレートフィルタが少
なくとも早期に目詰まりすることを防止することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による排気浄化装置を備えるディーゼル
エンジンの概略縦断面図である。

【図２】図１の燃焼室の拡大縦断面図である。

【図３】図１のシリンダヘッドの底面図である。

【図４】燃焼室の側面断面図である。

【図５】吸排気弁のリフトと燃料噴射を示す図である。

【図６】スモークおよびＮＯ_xの発生量等を示す図であ
る。

【図７】燃焼圧を示す図である。

【図８】燃料分子を示す図である。

【図９】スモークの発生量とＥＧＲ率との関係を示す図
である。

【図１０】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図で
ある。

【図１１】第一の運転領域Ｉおよび第二の運転領域IIを
示す図である。

【図１２】空燃比センサの出力を示す図である。

【図１３】スロットル弁の開度等を示す図である。

【図１４】第一の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図で
ある。

【図１５】第一の燃焼におけるスロットル弁等の目標開
度のマップを示す図である。

【図１６】第二の燃焼における空燃比を示す図である。

【図１７】第二の燃焼におけるスロットル弁等の目標開
度を示す図である。

【図１８】パティキュレートフィルタの構造を示す図で
ある。

【図１９】パティキュレートの酸化作用を説明するため
の図である。

【図２０】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２１】パティキュレートの堆積作用を説明するため
の図である。

【図２２】機関排気系における切換部及びパティキュレ
ートフィルタ近傍の平面図である。

【図２３】図２２の側面図である。

【図２４】切換部内の図２２とは異なる弁体のもう一つ
の遮断位置を示す図である。

【図２５】切換部内の弁体の中間位置を示す図である。

【図２６】パティキュレートフィルタの隔壁の拡大断面
図である。

【図２７】リッチスパイク時の空燃比及び活性酸素の量
を示す図である。

【図２８】酸素濃度とパティキュレートの酸化速度の関
係を示す図である。

【図２９】酸化除去可能微粒子量を示す図である。

【図３０】酸化除去可能微粒子量Ｇのマップを示す図で
ある。

【図３１】排気ガス中の酸素濃度及びＮＯ_X濃度のマッ
プを示す図である。

【図３２】排出微粒子量を示す図である。

【図３３】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３４】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。

【符号の説明】

１…機関１７…排気通路７０…パティキュレートフィルタ８０…プラズマ発生装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ａ (72)発明者仲野泰彰愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者浅沼孝充愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者広田信也愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者伊藤和浩愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G090 AA01 AA03 BA01 CA04 EA01 EA02 3G091 AA18 AB01 AB13 BA01 BA07 BA31 BA39 CA00 EA01 EA05 EA07 EA08 EA18 EA34 FC07 GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB17X HA14 HA36 HB05 3G301 HA02 HA13 JA21 JA24 JA25 JA26 LA01 LB01 LC01 LC03 MA23 NA08 NC04 NE02 NE07 PA01A PA01Z PA11A PA11Z PB03A PB08Z PD02Z PD15A PD15Z PE03Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関排気系に配置されてパティキュレー
トを捕集するパティキュレートフィルタと、機関排気系
の前記パティキュレートフィルタの上流側に配置された
プラズマ発生装置とを具備し、前記パティキュレートフ
ィルタは、捕集したパティキュレートを酸化除去する酸
化除去機能を有し、前記酸化除去機能によるパティキュ
レートの酸化除去能力が不十分となって前記パティキュ
レートフィルタにパティキュレートが堆積すると判断さ
れる機関状態の時には、前記プラズマ発生装置を作動す
ることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記パティキュレートフィルタは、前記
酸化除去機能のために活性酸素放出剤を担持し、前記活
性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取
り込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると
保持した酸素を活性酸素の形で放出するものであり、前
記活性酸素がパティキュレートを酸化除去することを特
徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記活性酸素放出剤は、周囲に過剰酸素
が存在するとＮＯ_Xを酸素と結合させて保持しかつ周囲
の酸素濃度が低下すると結合させたＮＯ_X及び酸素をＮ
Ｏ_Xと活性酸素とに分解して放出することを特徴とする
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記機関状態は、排気ガスの空燃比を一
時的にリッチにする機関運転状態であることを特徴とす
る請求項２又は３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項５】前記機関状態は、排気ガス中の酸素濃度
が設定酸素濃度より低くて前記活性酸素放出剤が酸素を
取り込んで酸素を保持し難くなる機関運転状態であるこ
とを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気
浄化装置。
【請求項６】前記機関状態は、煤の発生量が最大とな
る最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量を多
くした燃焼方式のために排気ガス中の酸素濃度が低くて
前記活性酸素放出剤が酸素を取り込んで酸素を保持し難
くなる機関運転状態であることを特徴とする請求項２又
は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】前記機関状態は、排気ガス中のＮＯ_X濃
度が設定ＮＯ_X濃度より低くて前記活性酸素放出剤がＮ
Ｏ_Xを酸素と結合させて保持し難くなる機関運転状態で
あることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気
浄化装置。
【請求項８】前記機関状態は、燃焼室から排出される
単位時間当たりの排出微粒子量が単位時間当たりの前記
酸化除去能力を超える機関運転状態であることを特徴と
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。
【請求項９】前記酸化除去能力は、前記パティキュレ
ートフィルタの温度が高いほど大きく、前記機関状態
は、前記パティキュレートフィルタの温度が設定温度よ
り低い機関状態であることを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。