JP3772729B2

JP3772729B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3772729B2
Application number: JP2001336665A
Authority: JP
Inventors: 信也広田; 俊明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: JP2003138924A

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】
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６００°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】
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】
この問題を解決するために、この種のパティキュレートフィルタをウォールフロー型として排気上流側と排気下流側とを逆転することにより、捕集壁の両側を交互に捕集面として使用することが考えられる。こうすることにより、捕集壁の一方側でパティキュレートを捕集している間は、捕集壁の他方側において捕集したパティキュレートを焼失することができ、パティキュレートフィルタの目詰まりを防止することが可能となる。
【０００８】
パティキュレートフィルタにおける排気上流側と排気下流側との逆転を可能とするためには、機関排気系に切換部を設け、この切換部の下流側にパティキュレートフィルタを配置することとなる。
【０００９】
ところで、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、パティキュレートの他にも有害物質であるＮＯ_Xが含まれており、このＮＯ_Xを浄化するためのＮＯ_X浄化触媒装置を機関排気系に配置しなければならない。
【００１０】
前述したパティキュレートフィルタにおいてパティキュレートを良好に焼失するためには、パティキュレートフィルタの温度は高い方が好ましい。それにより、ＮＯ_X浄化触媒装置をパティキュレートフィルタの上流側に配置し、ＮＯ_X浄化触媒装置におけるＮＯ_X浄化の反応熱をパティキュレートフィルタの昇温に利用することが考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単にＮＯ_X浄化触媒装置をパティキュレートフィルタの上流側に配置しても、ＮＯ_X浄化触媒装置は切換部の上流側に配置されることとなるために、ＮＯ_X浄化触媒装置における反応熱は切換部を介してしかパティキュレートフィルタへ流入せず、実際的には、反応熱によってパティキュレートフィルタを効果的に昇温させることは困難である。
【００１２】
従って、本発明の目的は、パティキュレートフィルタと、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の切換部と、ＮＯ_X浄化触媒装置とを具備し、ＮＯ_X浄化触媒装置における反応熱をパティキュレートフィルタの昇温に効果的に利用可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に配置されたＮＯ_X浄化触媒装置と、前記ＮＯ_X浄化触媒装置の直下流側において前記排気通路を横断方向に貫通するケースと、前記ケース内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、前記ケースの貫通位置より下流側において前記排気通路に配置された切換部、とを具備し、前記排気通路内において前記ケース回りを通過した排気ガスが前記切換部を介して前記ケース内の前記パティキュレートフィルタを通過するようになっており、前記切換部によって前記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可能であり、前記パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、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ことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、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。
【００１７】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X浄化触媒装置は、近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にＮＯ_Xを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯ_Xを放出して還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を担持していることを特徴とする。
【００１８】
【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る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を介してエアクリーナ１４に連結される。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が配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１７へ接続される。
【００１９】
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が配置される。排気マニホルド１７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が配置される。また、ＥＧＲ通路２２回りには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が配置される。図１に示され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。
【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る。
【００２１】
３０は電子制御ユニットであり、空燃比センサ２１の出力信号と、燃料圧センサ２８の出力信号とが入力される。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４２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、詳しくは後述する切換部７１内の弁体７１ａ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料噴射弁６が６個のノズル口を有するホールノズルからなり、燃料噴射弁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、次いで着火燃焼せしめられる。
【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。
【００２４】
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。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）を変化させたとき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わしている。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１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の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２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８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せしめ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８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。
【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回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、燃料回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、燃料回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回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９０°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ＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５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せしめ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せしめ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率で表わすとほぼ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、この時の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せしめなければならない。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を越えてしまう。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ＥＧＲ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せしめることになる。
【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、この時には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時、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するためには、比較的機関負荷が低くて燃焼による発熱量が少ない時の方が好ましい。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ときには第二燃焼、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１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２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１の運転領域Ｉと第２の運転領域IIとの第１の境界を示しており、Ｙ（Ｎ）は第１の運転領域Ｉと第２の運転領域IIとの第２の境界を示している。第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第１の境界Ｘ（Ｎ）に基づいて行われ、第２の運転領域IIから第１の運転領域Ｉへの運転領域の変化判断は第２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１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１の境界Ｘ（Ｎ）を越えると運転領域が第２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２の境界Ｙ（Ｎ）よりも低くなると運転領域が第１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１の運転領域Ｉ及び第２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１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せしめられ、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せしめられる。また、図１３に示される例では第１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１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１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せしめられる。スロットル弁１６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せしめられる。
【００５３】
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２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せしめられる。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せしめられ、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９）を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２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２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１の運転領域Ｉから第２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せしめられる。
【００５５】
第２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２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１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１の運転領域Ｉでは空燃比がリーンとなっており、更に第１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１５（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ＲＯＭ３２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ＲＯＭ３２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＝３５、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１６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ＲＯＭ３２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１７（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ＲＯＭ３２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弁の開度制御が実施される。
【００６１】
図１８は排気浄化装置を示す平面図であり、図１９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第一拡管部７４と、第一拡管部７４の直下流側に接続された第二拡管部７５と、第二拡管部７５の直下流側に接続された切換部７１と、切換部７１の下流側の排気管７３とを具備している。第一拡管部７４内にはＮＯ_X浄化触媒装置７６が配置され、第二拡管部７５を横断方向に貫通するケース７７内にはパティキュレートフィルタ７０が配置されている。こうして、排気ガスは、図１９に矢印で示すように、第一拡管部７４内のＮＯ_X浄化触媒装置７６を通過した後に第二拡管部７５内をケース７７の回りを通り切換部７１に達する。
【００６２】
ケース７７の一方側開口は第一接続部７２ａによって切換部７１と接続され、また、ケース７７の他方側開口は第二接続部７２ｂによって切換部７１と接続されている。切換部７１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７１ａ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と連通される。それにより、前述したようにＮＯ_X浄化触媒装置７６を通過した後に切換部７１に達した排気ガスは、図１８に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０をケース７７の一方側開口から他方側開口へ向けて通過する。
【００６３】
また、図２０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と連通される。それにより、ＮＯ_X浄化触媒装置７６を通過した後に切換部７１に達した排気ガスは、図２０に矢印で示すように、パティキュレートフィルタ７０をケース７７の他方側開口から一方側開口へ向けて通過する。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。
【００６４】
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、車両搭載性を悪化させることなく、図１８及び１９に示すように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。
【００６５】
図２１にパティキュレートフィルタ７０の構造を示す。なお、図２１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２１（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５４の排気上流側表面及び隔壁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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、およ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。
【００６８】
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。
【００６９】
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およびカリウム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。
【００７０】
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、吸気通路およ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、ＮＯおよび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。
【００７１】
図２２（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わしている。なお、図２２（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。
【００７２】
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２２（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２２（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減少させることができる。
【００７３】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ₂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ＫＮＯ₃および硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄が生成される。
【００７４】
排気ガス中のパティキュレートは、図２２（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。
【００７５】
一方、このとき活性酸素放出剤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６２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。
【００７６】
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ＫＮＯ₃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は数分から数十分の短時間で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が吸収されている時にも放出される。すなわち、ＮＯ_Xは酸素原子の結合及び分離を繰り返しつつ活性酸素放出剤６１内において硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。パティキュレート６２はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、このようにパティキュレートフィルタ７０上に付着したパティキュレート６２は活性酸素Ｏによって酸化せしめられるがこれらパティキュレート６２は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
【００７７】
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。
【００７８】
図２３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を示しており、図２３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。なお、図２３は単位時間を１秒とした場合の、すなわち、１秒当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇを示しているがこの単位時間としては、１分、１０分等任意の時間を採用することができる。例えば、単位時間として１０分を用いた場合には単位時間当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇは１０分間当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇを表わすことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ７０上において単位時間当た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は図２３に示されるようにパティキュレートフィルタ７０の温度が高くなるほど増大する。
【００７９】
さて、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、例えば、１秒当たりの排出微粒子量Ｍが１秒当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ない時、或いは１０分当たりの排出微粒子量Ｍが１０分当たりの酸化除去可能微粒子量Ｇより少ない時、即ち図２３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７０上において輝炎を発することなく順次短時間のうちに酸化除去せしめられる。
【００８０】
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２３の領域IIでは全てのパティキュレートを順次酸化するには活性酸素量が不足している。図２４（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。
【００８１】
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２４（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２４（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。
【００８２】
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の酸化作用および活性酸素放出剤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２４（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する。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。
【００８３】
このように図２３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２３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。その結果、パティキュレートフィルタ７０における排気ガス流の圧損は全くと言っていいほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持される。斯くして機関出力低下を最小限に維持することができる。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。
【００８４】
本実施例では、前述の電子制御ユニット３０により図２５に示す第一フローチャートに従って弁体７１ａを作動制御することにより、パティキュレートフィルタへのパティキュレートの堆積を防止している。本フローチャートは所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ１０１において、弁体７１ａの切り換え時期であるか否かが判断される。切り換え時期は、設定時間又は設定走行距離毎とされている。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０２へ進み、弁体７１ａを現在の遮断位置から他方の遮断位置へ回動させる。
【００８５】
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。前述したように、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放出された活性酸素によって捕集パティキュレートを酸化除去するが、設定時間又は設定走行距離を走行する間には、図２３の領域IIでの運転が実施されることもあり、図２６（Ａ）に格子で示すように、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。この程度のパティキュレートの堆積に伴う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。しかしながら、この時点で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れば、隔壁５４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、隔壁の細孔内に残留する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、下流側へ移動する。
【００８６】
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、すなわち、パティキュレートは流動することにより、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。
【００８７】
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によって到来する。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。
【００８８】
弁体の切り換えは、設定時間又は設定走行距離毎のように定期的に実施しなくても不定期に実施するようにしても良い。また、機関減速時毎に弁体を切り換えるようにしても良い。機関減速時の判断には、運転者が車両の減速を意図する動作、例えば、アクセルペダルの開放、ブレーキペダルの踏み込み、及びフューエルカット等のいずれかを検出することが利用可能である。
【００８９】
また、パティキュレートフィルタへのパティキュレート堆積量が設定量となった時に弁体を切り換えるようにしても良い。パティキュレート堆積量の推定には、例えば、パティキュレート堆積量の増加に伴って増大するパティキュレートフィルタ７０の直上流側と直下流側との間の差圧を利用することができ、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の電気抵抗値を利用しても良く、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の光の透過率又は反射率を利用しても良い。また、図２３のグラフに基づき、現在の機関運転状態から推定される排出微粒子量Ｍが現在の機関運転状態から推定されるパティキュレートフィルタの温度を考慮した酸化除去可能微粒子量Ｇを上回る時の差（Ｍ−Ｇ）をパティキュレート堆積量として積算するようにしても良い。
【００９０】
また、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。
【００９１】
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からの活性酸素補出量が増大する。
【００９２】
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剤が増大し、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。
【００９３】
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。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排気ガスの空燃比をリッチにすれば、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。もちろん、弁体７１ａ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。
【００９４】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては、例えば、前述の低温燃焼を実施すれば良い。また、単に燃焼空燃比をリッチにしても良い。また、圧縮行程での通常の主燃料噴射に加えて、機関燃料噴射弁によって排気行程又は膨張行程において気筒内に燃料を噴射（ポスト噴射）しても良く、又は、吸気行程において気筒内に燃料を噴射（ビゴム噴射）しても良い。もちろん、ポスト噴射又はビゴム噴射は、主燃料噴射との間に必ずしもインターバルを設ける必要はない。また、機関排気系に燃料を供給することも可能である。
【００９５】
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ことになる。
【００９６】
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２３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、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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
ところで、本実施例のパティキュレートフィルタは、前述したように排気ガス中のＮＯ_Xを良好に吸収するが、パティキュレートフィルタの構造は、前述したように、捕集壁の細孔を排気ガスが通過するウォールフロー型であり、触媒を担持する隔壁に沿って排気ガスが流れる一般的な触媒装置との比較において、同じ大きさで同量の排気ガスを通過させるためには、捕集壁間の寸法を隔壁間の寸法に比較して大きくしなければならない。それにより、パティキュレートフィルタにおいて排気ガスが捕集壁表面に担持された活性酸素放出剤と接触する機会は、モノリス型の触媒装置において触媒と接触する機会より少ない。また、排気ガスは、捕集壁の細孔を通過する際には、この細孔内に担持された活性酸素放出剤に接触するが、主には、捕集壁の表面に担持された活性酸素放出剤にしか接触しない。しかしながら、多数の細孔によって捕集壁表面の触媒担持面積はそれほど大きくない。こうして、ＮＯ_Xを吸収する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタに担持させても、排気ガス中のＮＯ_Xを十分に浄化することはできない。
【０１００】
本実施例では、前述したように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の切換部７１の上流側にＮＯ_X浄化触媒装置７６を配置している。それにより、排気ガス中のＮＯ_Xの一部をＮＯ_X浄化触媒装置７６によって浄化し、パティキュレートフィルタと合わせて大気中へＮＯ_X放出量を十分に低減することが可能となる。本パティキュレートフィルタ７０では、前述したように、パティキュレートの酸化除去にＮＯ_Xを使用するものであるために、ＮＯ_X浄化触媒装置７６によってパティキュレートフィルタ７０の上流側であまり多量のＮＯ_Xを浄化しないようにしなければならない。
【０１０１】
ＮＯ_X浄化触媒装置７６がＮＯ_Xを浄化するためのいずれの触媒を担持していても、ＮＯ_Xの浄化は還元剤によるＮＯ_Xの還元であり、すなわち、還元剤の酸化を伴うこととなる。本実施例において、この反応熱は、排気ガスを利用してＮＯ_X浄化触媒装置７６の直下流において排気通路を横断するケース７７を良好に加熱する。それにより、ケース７７内に配置されたパティキュレートフィルタ７０も良好に加熱される。こうして加熱されたパティキュレートフィルタ７０では、図２３に示すように酸化除去可能微粒子量が増大するために、捕集したパティキュレートを良好に酸化除去することができる。
【０１０２】
本実施例におけるＮＯ_X浄化触媒装置７６は、例えば、ハニカム構造担体の隔壁にアルミナ等を使用して以下に説明するＮＯ_X吸収剤と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯ_X吸収剤は、本実施例では、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、および遷移金属から選ばれた少なくとも一つである。このＮＯ_X吸収剤は、近傍雰囲気中の空燃比（空気と燃料との比であり、ここで、どれだけの燃料が空気中の酸素を使用して燃焼しているかは関係ない）がリーンのときにはＮＯ_Xを吸収し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。
【０１０３】
このＮＯ_X吸収剤は実際にＮＯ_Xの吸放出作用を行うが、この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図２３に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて隔壁上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【０１０４】
低温燃焼及び普通燃焼に係わらず、空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には、排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図２７（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、流入排気ガス中の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上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図２７（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤内に吸収される。近傍雰囲気の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ₂が生成され、吸収剤のＮＯ_X吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。
【０１０５】
一方、近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると酸素濃度が低下し、その結果白金Ｐｔの表面でのＮＯ₂の生成量が低下する。ＮＯ₂の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形で吸収剤から放出される。このときＮＯ_X吸収剤から放出されたＮＯ_Xは図２７（Ｂ）に示されるように近傍雰囲気中に含まれるＨＣ及びＣＯ等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ＮＯ₂が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂が放出される。従って近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると短時間のうちにＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xが放出され、しかもこの放出されたＮＯ_Xが還元されるために大気中にＮＯ_Xが排出されることはない。
【０１０６】
なお、この場合、近傍雰囲気の空燃比を理論空燃比にしてもＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xが放出される。しかしながら、この場合にはＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xが徐々にしか放出されないためにＮＯ_X浄化触媒装置に吸収されている全ＮＯ_Xを放出させるには若干長い時間を要する。
【０１０７】
ところでＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収能力には限度があり、ＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X吸収能力が飽和する前にＮＯ_X吸収剤からＮＯ_Xを放出させる必要がある。すなわち、ＮＯ_X浄化触媒装置に吸収されているＮＯ_X量がＮＯ_X貯蔵可能量に達する以前に、ＮＯ_Xを放出させ還元浄化する再生の必要があり、そのためには、このＮＯ_X量を推定する必要がある。そこで本実施例では低温燃焼が行われているときの単位時間当りのＮＯ_X吸収量Ａを要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２８（Ａ）に示すようなマップの形で予め求めておき、普通燃焼が行われているときの単位時間当りのＮＯ_X吸収量Ｂを要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２８（Ｂ）に示すようなマップの形で予め求めておき、これら単位時間当りのＮＯ_X吸収量Ａ，Ｂを積算することによってＮＯ_X浄化触媒装置に吸収されているＮＯ_X量を推定するようにしている。ここで、低温燃焼が行われているときの単位時間当たりのＮＯ_X吸収量Ａは、もちろん、低温燃焼がリッチ空燃比で行われる時にはＮＯ_Xは放出されることとなるために、マイナス値となる。本実施例ではこのＮＯ_X吸収量が予め定められた許容値を越えたときにＮＯ_X浄化触媒装置を再生するために、理論空燃比又はリッチ空燃比での低温燃焼を実施するか、又は、排気行程で気筒内へ燃料を噴射するなどして、ＮＯ_X浄化触媒装置の近傍雰囲気を理論空燃比又リッチ空燃比とし、少なくとも再生が完了するまでの時間（近傍雰囲気の空燃比が小さいほど短くなる）だけこの状態を維持するようになっている。この再生処理がＮＯ_Xの還元浄化であり、還元剤の酸化に伴って反応熱が発生する。本実施例では、前述したように、この反応熱をパティキュレートフィルタの加熱に有効利用することができる。
【０１０８】
ところで、排気ガス中には可溶有機成分ＳＯＦが含まれ、このＳＯＦは、粘着性を有し、パティキュレートフィルタ上でパティキュレート同士を付着させ大きな塊に成長させる。これは、パティキュレートフィルタにおいて、パティキュレートを酸化除去させ難くしてパティキュレートフィルタの目詰まりを促進する。それにより、本実施例のように、パティキュレートフィルタ７０の上流側に配置したＮＯ_X浄化触媒装置に白金Ｐｔ等の酸化触媒が担持されていれば、パティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中のＳＯＦを焼失させ、ＳＯＦによるパティキュレートフィルタの目詰まり促進を防止することができる。
【０１０９】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してＳＯ_Xが生成される。ＳＯ_Xは、ＮＯ_X浄化触媒装置へＮＯ_Xと同様なメカニズムにより硫酸塩の形で吸収される。この硫酸塩も硝酸塩と同様なメカニズムによって活性酸素を放出可能であるが、硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としてもＮＯ_X浄化触媒装置から放出され難く、実際には、ＮＯ_X浄化触媒装置に残留して、吸蔵量が徐々に増加する。ＮＯ_X浄化触媒装置への硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、ＮＯ_X浄化触媒装置における硫酸塩の吸蔵量が増加すれば（以下、ＳＯ_X被毒と称する）、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くＮＯ_Xを吸収することができなくなる。
【０１１０】
本実施例では、上流側のＮＯ_X浄化触媒装置７６がＳＯ_X被毒するが、その分、下流側のパティキュレートフィルタ上の活性酸素放出剤にはＳＯ_Xが吸収され難くなる。ＮＯ_X浄化触媒装置７６のＳＯ_X被毒の回復は、以下の手順によって行われる。
【０１１１】
先ず、ＳＯ_X被毒の回復時期であるか否かの判断が実施される。この判断には、これまでに消費した燃料を積算して、この積算燃料量が設定量に達した時にＳＯ_X被毒の回復時期と判断することができる。また、ＮＯ_X浄化触媒装置の再生処理において、ＮＯ_X浄化触媒装置の排気上流側の空燃比はリッチにされるが、再生中においては、ＨＣ等の還元物質が放出されたＮＯ_Xの還元浄化に使用されるために、ＮＯ_X浄化触媒装置の下流側の空燃比は理論空燃比に近くなる。しかしながら、再生が完了すると、ＮＯ_X浄化触媒装置の下流側の空燃比は、上流側の空燃比とほぼ等しくリッチとなる。これを利用して再生時間を検出すれば、ＳＯ_X被毒の回復時期が判断可能である。なぜなら、回復が必要なほどＳＯ_X被毒が進行していると、再生時期におけるＮＯ_X吸収量が実際には少なくなっており、再生時間が短くなるためである。
【０１１２】
ＳＯ_X被毒の再生時期である時には、燃焼空燃比をリーンとして、排気ガス中には比較的多くの酸素が含まれているようにすると共に、排気行程での気筒内燃料噴射又はＮＯ_X浄化触媒装置の上流側において機関排気系へ燃料を噴射するなどして、ＮＯ_X浄化触媒装置へ十分な酸素と未燃燃料等の還元物質とを供給し、ＮＯ_X浄化触媒装置の有する酸化能力によって還元物質を十分に燃焼させる。
【０１１３】
こうして、ＮＯ_X浄化触媒装置を６００°Ｃ程度に昇温させると、安定な硫酸塩は、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、ＳＯ_Xとして放出させることができる。ＮＯ_X浄化触媒装置を７００°Ｃ以上に昇温すると、担持させた白金Ｐｔ等の酸化触媒がシンタリングを起こして機能低下するために、ＮＯ_X浄化触媒装置の直下流側の排気温度等を監視して、これが起こらないようにすることが好ましい。このＮＯ_X浄化触媒装置のＳＯ_X被毒回復処理中には、切換部７１において弁体７１ａは二つの遮断位置の間の開放位置とされており、ＮＯ_X浄化触媒装置から放出されたＳＯ_Xは、パティキュレートフィルタ７０をバイパスするために、パティキュレートフィルタ７０の活性酸素放出剤に吸収されることはない。ＮＯ_X浄化触媒装置を高温にして近傍雰囲気を一定時間リッチ空燃比とすると、ＳＯ_X被毒回復処理は完了したと判断することができ、燃焼空燃比は通常運転に適した空燃比に戻される。このＳＯ_X被毒回復処理において、ＮＯ_X浄化触媒装置の昇温時の発生熱及びＳＯ_X還元浄化の際の還元物質の燃焼熱は、ケース７７を良好に加熱してケース７７内のパティキュレートフィルタ７０を効果的に昇温させる。
【０１１４】
また、ＮＯ_X浄化触媒装置のＳＯ_X被毒回復処理の完了と同時又は完了直後において、ＮＯ_X浄化触媒装置から放出されたＳＯ_Xのほぼ全てが排気管７３へ排出されれば、切換部７１の切換弁７１ａを一方の遮断位置として、高温度（約６００°Ｃ）とされたＮＯ_X浄化触媒装置を通り加熱された排気ガスをパティキュレートフィルタへ導くことにより、パティキュレートフィルタをさらに昇温させることができる。
【０１１５】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に配置されたＮＯ_X浄化触媒装置と、ＮＯ_X浄化触媒装置の直下流側において排気通路を横断方向に貫通するケースと、このケース内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、ケースの貫通位置より下流側において排気通路に配置された切換部、とを具備し、排気通路内においてケース回りを通過した排気ガスが切換部を介してケース内のパティキュレートフィルタを通過するようになっており、切換部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が逆転可能であり、パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられるようになっている。
【０１１６】
こうして、切換部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逆転することにより、パティキュレートフィルタでの捕集パティキュレートの酸化は比較的良好となるが、さらに、ＮＯ_X浄化触媒装置でのＮＯ_X浄化の際の反応熱が、切換部を介してではなく、ＮＯ_X浄化触媒装置の直下流側において排気通路を横断方向に貫通するケースを良好に加熱し、このケース内のパティキュレートフィルタを効果的に昇温させるために、この昇温によってパティキュレートフィルタでの捕集パティキュレートの酸化をさらに良好にすることができる。
【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１の運転領域Ｉおよび第２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１の運転領域Ｉにおける空燃比を示す図である。
【図１５】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】普通燃焼における空燃比を示す図である。
【図１７】スロットル弁等の目標開度を示す図である。
【図１８】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１９】図１８の側面図である。
【図２０】切換部内の弁体の図１８とは異なるもう一つの遮断位置を示す図である。
【図２１】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図２２】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２３】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２４】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２５】パティキュレートフィルタへの多量のパティキュレートの堆積を防止するためのフローチャートである。
【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】ＮＯ_Xの吸放出作用を説明するための図である。
【図２８】単位時間当りのＮＯ_X吸収量のマップを示す図である。
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
１６…スロットル弁
７１…切換部
７０…パティキュレートフィルタ
７６…ＮＯ_X浄化触媒装置

Claims

排気通路に配置されたＮＯ_X浄化触媒装置と、前記ＮＯ_X浄化触媒装置の直下流側において前記排気通路を横断方向に貫通するケースと、前記ケース内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、前記ケースの貫通位置より下流側において前記排気通路に配置された切換部、とを具備し、前記排気通路内において前記ケース回りを通過した排気ガスが前記切換部を介して前記ケース内の前記パティキュレートフィルタを通過するようになっており、前記切換部によって前記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可能であり、前記パティキュレートフィルタにおいては捕集したパティキュレートが酸化させられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタには活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化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。
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。
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請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯ_X浄化触媒装置は、近傍雰囲気が、リーン空燃比の時にＮＯ_Xを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にＮＯ_Xを放出して還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を担持し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。