JP3838157B2 - 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】
従来より、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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、ほぼ全ての排気ガスをバイパス通路内に導く全バイパス位置との間を切り替え可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置では、機関への燃料供給が一時的に停止される機関減速運転時に切替弁を全バイパス位置に保持し、それによって比較的低温の排気ガスによりパティキュレートフィルタの温度が低下するのを阻止するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
切替弁が捕集位置に保持され排気ガスがパティキュレートフィルタ内を流通しているときには、拡大容積室はマフラないし消音器の拡張室として作用し、その結果騒音が低く維持されている。ところが、上述したように切替弁が全バイパス位置に切り替えられると拡大容積室がもはや拡張室として作用し得なくなり、従って騒音が増大する恐れがある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、排気ガスが排気通路内に形成された拡大容積室をバイパスしたときに生ずる騒音を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００５】
【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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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と、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触媒とのうち少なくとも一方を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、排気ガスの少なくとも一部をバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切り替え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、拡大容積室下流の排気通路内に排気ガス室を備えたマフラを接続し、該マフラは、マフラ内における排気ガスの流れを切り替えることにより排気ガス室が共鳴室として作用するか又は拡張室として作用するかを切り替え可能になっており、排気ガス室が共鳴室として作用するか又は拡張室として作用するかを切替弁の位置に応じて切り替えるようにしている。
【０００６】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、切替弁が捕集位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、切替弁がバイパス位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにしている。
【０００７】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、切替弁がバイパス位置に保持されているときにバイパス通路内を流通する排気ガスの量を求める手段を具備し、該排気ガスの量が予め定められたしきい値よりも少ないときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、該排気ガスの量が該しきい値よりも多いときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにしている。
【０００８】
また、４番目の発明によれば２番目の発明において、マフラの排気ガス室内に別のパティキュレートフィルタを配置して排気ガス室を拡張室として作用させるべきときに排気ガス室内を流通する排気ガスが該別のパティキュレートフィルタを通過するようにしている。
【０００９】
また、５番目の発明によれば４番目の発明において、前記別のパティキュレートフィルタ上に、別のＮＯＸ触媒が担持されている。
【００１０】
また、６番目の発明によれば１番目の発明において、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路とマフラ間の排気通路内に、更に別のＮＯＸ触媒を配置している。
【００１１】
また、前記課題を解決するために７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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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と、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触媒とのうち少なくとも一方を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、排気ガスの少なくとも一部をバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切り替え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、切替弁をバイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値を越えるか否かを判断し、該騒音が許容値を越えると判断されたときには切替弁を捕集位置に保持するか、又はバイパス位置に保持しつつバイパス通路内を流通する排気ガスの量が減少するように切替弁の位置を制御する。
【００１２】
また、８番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、前記拡大容積室内に前記パティキュレートフィルタ及び前記ＮＯＸ触媒が共に収容されており、該パティキュレートフィルタ上に該ＮＯＸ触媒が担持されている。
【００１３】
また、９番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、捕集位置に保持されている切替弁の位置が、拡大容積室内に収容されているパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒の状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１４】
また、１０番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路とマフラ間の排気通路内に更に別のパティキュレートフィルタが配置されており、捕集位置に保持されている切替弁が該更に別のパティキュレートフィルタの状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１５】
また、１１番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、バイパス通路の流入端が開口する部分よりも上流の排気通路内に、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イオウ分を蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下すると蓄えているイオウ分を放出するイオウ分蓄積剤が配置されており、捕集位置に保持されている切替弁が該イオウ分蓄積剤の状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１６】
また、１２番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、捕集位置に保持されている切替弁が機関運転状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１７】
また、１３番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、パティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその一端面のみを介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその他端面のみを介し流出するように排気ガスが案内されている。
【００１８】
また、１４番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、パティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその一端面を介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその他端面を介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えるための切り替え手段を具備している。
【００１９】
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。
【００２０】
【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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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を介してマフラ９０が接続される。
【００２４】
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容量が比較的大きくなっているフィルタ収容室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。
【００２５】
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。
【００２６】
本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ６９上に、後述するようにＮＯＸ触媒８１が担持されている。しかしながら、フィルタ収容室６８内にパティキュレートフィルタ６９とＮＯＸ触媒８１とのうちいずれか一方を収容した場合にも本発明を適用することができる。
【００２７】
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追加のＮＯＸ触媒７６が収容される。
【００２８】
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に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁７７が取り付けられる。還元剤供給弁７７には電気制御式の還元剤ポンプ７８から還元剤が供給される。本発明による実施例では還元剤として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。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に還元剤供給弁が配置されていない。
【００２９】
図１及び図３を参照すると、マフラ９０はケーシング９１と、排気管２３に接続されかつケーシング９１内を貫通して延びる排気管９２とを具備し、排気管９２周りのケーシング９１内部空間内には比較的大きな容積を有する環状の排気ガス室９３が形成されている。排気管９２の下流側には多数の小孔９４が形成され、これら小孔９４を介して排気管９２内部空間と排気ガス室９３とが互いに連通している。また、排気管９２の上流側にはアクチュエータ９４により駆動される消音制御弁９５によって開放又は閉塞される連通孔９６が設けられる。後述するように、連通孔９６が開放されると排気管９２の内部空間が連通孔９６を介して排気ガス室９３に連通される。一方、排気管９２の下流側には多数の小孔９７が形成される。これら小孔９７は排気管９２の内部空間を常時、排気ガス室９３に連通している。更に、連通孔９６と小孔９７間の排気ガス室９３内には環状をなす追加のパティキュレートフィルタ９８が収容され、この追加のパティキュレートフィルタ９８上にはＮＯＸ触媒９９が担持されている。
【００３０】
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。
【００３１】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００３２】
電子制御ユニット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。パティキュレートフィルタ６９の例えば中心部にはパティキュレートフィルタ６９の温度を検出するための温度センサ４８が取り付けられ、温度センサ４８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２０ａには排気管２０ａ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。
【００３３】
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、還元剤供給弁７７、還元剤剤ポンプ７８、及び消音制御弁駆動用アクチュエータ９４にそれぞれ接続される。
【００３４】
触媒コンバータ２２の切替弁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排気管２０ａ内に流入し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出管６４内に流出する。
【００３５】
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。
【００３６】
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。言い換えると、排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内にその一端面を介し流入しパティキュレートフィルタ６９からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はパティキュレートフィルタ６９内にその他端面を介し流入しパティキュレートフィルタ６９からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替え可能になっている。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。
【００３７】
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、次いで追加のＮＯＸ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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
追加のパティキュレートフィルタ９８もパティキュレートフィルタ６９と同様に構成され、追加のパティキュレートフィルタ９８の隔壁上に追加のＮＯＸ触媒９９が担持される。また、追加のＮＯＸ触媒７６，９９もＮＯＸ触媒８１と同様に構成される。
【００４６】
上述したように切替弁６１が順流位置に保持されても逆流位置に保持されても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。
【００４７】
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還元剤供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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か又は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し、パティキュレートフィルタ６９の圧損が増大する。
【００５１】
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。
【００５２】
図１に示される実施例では、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。また、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還元剤供給弁７７から還元剤が供給され、この還元剤はパティキュレートフィルタ６９上で燃焼する。
【００５３】
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。
【００５４】
ところで、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
そこで図１に示される実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ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ＳＯＸを還元しＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるために還元剤供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に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理論空燃比又はリッチに切り替えられる。
【００５８】
この場合、図１に示される実施例では、ＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を低減すべきときに切替弁６１が図５に示される弱順流位置に保持される。切替弁６１がこの弱順流位置に保持されると、図５に示されるように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ＮＯＸ触媒８１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ＮＯＸ触媒８１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ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量が低減され、ＮＯＸ触媒８１における排気ガスの空間速度が低下する。
【００５９】
従って、切替弁６１を弱順流位置に保持すると、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えるのに必要な還元剤の量を低減することができることになる。また、ＮＯＸ触媒８１に供給された還元剤のＮＯＸ触媒８１内における滞留時間が長くなり、従って還元剤がＳＯＸ還元のために有効に利用されうる。ここで、切替弁６１の流入ポート６２から流出ポート６３までの排気ガス流路はパティキュレートフィルタ６９を迂回するバイパス通路として作用することになる。
【００６０】
一方、マフラ９０の消音制御弁９５は図６に実線で示される共鳴位置と破線で示される拡張位置のうちいずれか一方に保持される。消音制御弁９５が共鳴位置に保持されると連通孔９６が閉塞され、その結果排気ガス室９３が共鳴室として作用するようになる。従って、この場合には排気ガス室９３の共鳴効果によって騒音が抑制されることになる。なお、消音制御弁９５が共鳴位置にあるときの排気ガスの流れが図６において実線の矢印で示されている。
【００６１】
これに対し、消音制御弁９５が拡張位置に保持されると連通孔９６が開放され、連通孔９６と小孔９７間の排気管９２が消音制御弁９２によって閉塞される。その結果、排気管９２内に流入した排気ガスは図６において破線の破線で示されるように、連通孔９６を介して排気ガス室９３内に流入し、次いで追加のパティキュレートフィルタ９８を通過した後に、小孔９７を介して排気管９２内に戻る。排気ガス室９３の容積は上述したように比較的大きくなっており、その結果排気ガス室９３が拡張室として作用するようになる。従って、この場合には排気ガス室９３の拡張作用によって騒音が抑制されることになる。
【００６２】
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は、排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内を通過し、即ちフィルタ収容室６８内を通過する。上述したようにこのフィルタ収容室６８の容積は比較的大きくなっており、その結果フィルタ収容室６８が拡張室として作用するようになる。言い換えると、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はフィルタ収容室６８の拡張作用によって騒音が抑制されている。
【００６３】
そこで図１に示される実施例では、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は、消音制御弁９５を共鳴位置に保持し、排気ガス室９３を共鳴室として作用させるようにしている。その結果、幅広い周波数域の騒音を抑制することができる。
【００６４】
ところが、上述したように例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるべきときには切替弁６１が弱順流位置に切り替えられ、このとき多量の排気ガスがフィルタ収容室６８を迂回する。このため、フィルタ収容室６８の騒音抑制作用が弱められることになる。
【００６５】
そこで図１に示される実施例では、切替弁６１が弱順流位置に切り替えられたときには、消音制御弁９５を拡張位置に切り替えるようにしている。その結果、上述したように排気ガス室９３が拡張室として作用し、騒音を抑制し続けることが可能になる。また、このときパティキュレートフィルタ６９及びＮＯＸ触媒８１を迂回した排気ガスは追加のパティキュレートフィルタ９８及び追加のＮＯＸ触媒９９を通過し、従って切替弁６１が弱順流位置に保持されたときに大気中に排出される微粒子及びＮＯＸの量を低減することができる。
【００６６】
即ち、図７に示されるように、切替弁６１が例えばパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量に応じて順流位置と逆流位置の間で交互に切り替えられ、このとき消音制御弁９５は共鳴位置に保持される。次いで、切替弁６１が弱順流位置に切り替えられると、消音制御弁９５が拡張位置に切り替えられる。切替弁６１が例えば順流位置に戻されると消音制御弁９５も共鳴位置に戻される。
【００６７】
図８は図１に示される実施例において消音制御弁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。図８を参照すると、まずステップ２００では切替弁６１が弱順流位置に保持されているか否かが判別される。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はステップ２０１に進み、消音制御弁９５が共鳴位置に保持される。これに対し、切替弁６１が弱順流位置に保持されているときにはステップ２０２に進み、消音制御弁９５が拡張位置に保持される。
【００６８】
なお、切替弁６１が弱順流位置に保持されたときには、排気ガス中のＮＯＸは追加のＮＯＸ触媒７６，９９内に蓄えられ、微粒子は追加のパティキュレートフィルタ９８上に堆積する。しかしながら、切替弁６１が弱順流位置に保持される時間はさほど長くなく、従って追加のＮＯＸ触媒７６，９９内の蓄積ＮＯＸ量を減少させ又は追加のパティキュレートフィルタ９８上の堆積微粒子量を減少させるための特別な制御は必ずしも必要ない。
【００６９】
また、図１に示される実施例における切替弁６１の弱順流位置はパティキュレートフィルタ６９内を流通する排気ガスの量をほぼ一定にする位置であり、従って機関運転状態が変動し内燃機関から排出される排気ガスの量が変動することを考えると、この場合の弱順流位置は必ずしも一定の角度位置ではない。
【００７０】
図９は本発明による別の実施例を示している。図９に示される実施例では、排気管２０ａの出口に触媒コンバータ２２のケーシング１６８が接続され、このケーシング１６８内にＮＯＸ触媒８１を担持したパティキュレートフィルタ６９が収容されている。ケーシング１６８の出口は排気管１２３を介しマフラ９０に接続されている。
【００７１】
排気管２０ａからバイパス管１８５が分岐されており、このバイパス管１８５の流出端は排気管１２３内に開口している。また、バイパス管１８５の流入端が開口している排気管２０ａの部分には切替弁１６１が配置されている。この切替弁１６１は図９に実線で示されるように、バイパス管１８５を閉塞してほぼ全ての排気ガスをケーシング１６８内に導く閉塞位置と、図９に破線で示されるように排気ガスの大部分がバイパス管１８５内に流入し、残りのわずかな量の排気ガスがケーシング１６８内に流入する開放位置との間を切替可能になっている。従って、図９に示される実施例では、切替弁１６１が閉塞位置にあるときにも開放位置にあるときにも、パティキュレートフィルタ６９又はＮＯＸ触媒８１を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内又はＮＯＸ触媒８１内にその一端面のみを介し流入しパティキュレートフィルタ６９又はＮＯＸ触媒８１からその他端面のみを介し流出するように排気ガスが案内されているということになる。
【００７２】
ここで、図９に示される実施例では、開放位置に保持されているときの切替弁６１の角度位置ないし開度は一定に保持される。
【００７３】
また、バイパス管１８５内にはバイパス管１８５内を流通する排気ガスの量を検出するための流量センサ１８６が取り付けられる。なお、切替弁１６１を駆動するためのアクチュエータ及び流量センサ１８６は図示しない電子制御ユニットに接続されている。更に、切替弁１６１とケーシング１６８との間の排気管２０ａ内に還元剤供給弁７７が配置されている。
【００７４】
通常、切替弁１６１は閉塞位置に保持され、マフラ９０の消音制御弁９５は共鳴位置に保持されている。例えばＮＯＸ触媒８１内のＳＯＸを還元し蓄積ＳＯＸ量を減少させるべきときには、切替弁１６１が一時的に開放位置に切り替えられ、このとき消音制御弁９５が一時的に拡張位置に切り替えられる。
【００７５】
ここで、上述したように開放位置に保持されているときの切替弁６１の角度位置ないし開度は一定に保持される。従って、機関運転状態が変動するとバイパス管１８５内を流通する排気ガスの量が変動することになり、即ち拡大容積室を形成するケーシング１６８を迂回する排気ガスの量が変動することになる。
【００７６】
一方、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量がさほど多くないときには、ケーシング１６８の騒音抑制作用が必ずしも弱められておらず、マフラ９０の排気ガス室９３を拡張室として作用させる必要はない。むしろ、このような場合には排気ガス室９３を共鳴室として作用させた方が、騒音を抑制できる。
【００７７】
そこで図９に示される実施例では、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量を求め、この排気ガスの量が予め定められたしきい値よりも多いときには、消音制御弁９５を拡張位置に保持し、しきい値よりも少ないときには消音制御弁９５を共鳴位置に保持するようにしている。このようにすると、切替弁１６１が開放位置に切り替えられたときに騒音抑制作用が悪化するのを更に阻止することができる。
【００７８】
図１０は図９に示される実施例において消音制御弁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。図１０を参照すると、まずステップ２１０では切替弁１６１が開放位置に保持されているか否かが判別される。切替弁１６１が閉塞位置に保持されているときにはステップ２１１に進み、消音制御弁９５が共鳴位置に保持される。これに対し、切替弁１６１が開放位置に保持されているときにはステップ２１２に進み、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量ＱＢが予め定められたしきい値Ｑ０よりも多いか否かが判別される。ＱＢ≦Ｑ０のときには次いでステップ２１１に進み、消音制御弁９５が共鳴位置に保持される。これに対し、ＱＢ＞Ｑ０のときには次いでステップ２１３に進み、消音制御弁９５が拡張位置に保持される。
【００７９】
図９に示される実施例では、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量を求めるためにバイパス管１８５に流量センサ１８６を取り付けている。しかしながら、図１１に示されるように、バイパス管１８５内の圧力を検出するための圧力センサ１８７をバイパス管１８５に取り付け、バイパス管１８５内の圧力に基づきバイパス管１８５内を流通する排気ガスの量ＱＢを推定することもできる。なお、圧力センサ１８７は図示しない電子制御ユニットに接続されている。
【００８０】
これまで述べてきた実施例では、マフラ９０は単一の排気ガス室９３を備えている。しかしながら、マフラ９０に共鳴室又は拡張室として作用する追加の排気ガス室を設けることもできる。
【００８１】
図１２は本発明による更に別の実施例を示している。図１２に示される実施例では、排気管２０ａ内にＳＯＸ蓄積剤１８８が配置され、排気管２３内に追加のパティキュレートフィルタ１８９が配置されている。なお、この実施例では図１に示される還元剤供給弁及びマフラが設けられていない。
【００８２】
ＳＯＸ蓄積剤１８８は例えばアルミナを担体とし、この担体上に鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉ、錫Ｓｎのような遷移金属及びリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つが担持されている。このＳＯＸ蓄積剤１８８はＮＯＸ触媒と同様に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下すると蓄えているＳＯＸを放出する。ただし、ＳＯＸ蓄積剤１８８はＮＯＸ触媒よりも、蓄えられているＳＯＸを容易に放出させることができる。これはＳＯＸが硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯＸ蓄積剤内に存在しているか、或いは硫酸塩ＢａＳＯ４が生成されたとしても硫酸塩ＢａＳＯ４が安定しない状態でＳＯＸ蓄積剤内に存在しているためであると考えられている。
【００８３】
ＳＯＸ蓄積剤１８８内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されており、従って排気ガス中のＳＯＸはＳＯＸ蓄積剤１８８内に蓄えられる。その結果、ＮＯＸ触媒８１内にＳＯＸが流入するのを阻止することができる。
【００８４】
時間の経過と共にＳＯＸ蓄積剤１８８内の蓄積ＳＯＸ量は次第に増大する。図１２に示される実施例では、例えばＳＯＸ蓄積剤１８８内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたときにはＳＯＸ蓄積剤１８８内に蓄えられているＳＯＸを放出させるためにＳＯＸ蓄積剤１８８内に流入する排気ガスの平均空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチに切り替えるようにしている。なお、図１２に示される実施例では、ＳＯＸ蓄積剤１８８内に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにするために、燃料噴射弁６から機関膨張行程時又は排気行程時に２回目の燃料噴射が行われる。
【００８５】
ＳＯＸ蓄積剤１８８から放出されたＳＯＸは排気管２０ａを介し切替弁６１に到り、このとき切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されていると即ち排気ガスがＮＯＸ触媒８１内に導かれていると、このＳＯＸがＮＯＸ触媒８１内に蓄えられる恐れがある。
【００８６】
そこで図１２に示される実施例では、ＳＯＸ蓄積剤１８８からＳＯＸを放出させるべきときには切替弁６１を図１３に示される全バイパス位置に一時的に切り替えるようにしている。切替弁６１がこの全バイパス位置に保持されると、図１３に示されるようにほぼ全ての排気ガスが流入ポート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ＮＯＸ触媒８１を迂回し、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスはほぼゼロになる。
【００８７】
その結果、ＳＯＸ蓄積剤１８８から放出されたＳＯＸはＮＯＸ触媒８１を迂回し、従ってＮＯＸ触媒８１内に蓄えられることがない。
【００８８】
一方、図１２に示される実施例では、機関減速運転時に機関への燃料供給作用が一時的に停止され、このときの排気ガスの温度は比較的低くなっている。従って、このとき切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されていると、この低温の排気ガスによってパティキュレートフィルタ６９の温度が低下する恐れがある。
【００８９】
そこで図１２に示される実施例では、パティキュレートフィルタ６９の温度が予め定められたしきい値よりも低い機関減速運転時には、切替弁６１を一時的に全バイパス位置に切り替えるようにしている。その結果、低温の排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内に流入しなくなり、パティキュレートフィルタ６９の温度が高く維持される。
【００９０】
ところが、このように切替弁６１が全バイパス位置に保持されると、このとき排気ガス中に含まれる微粒子がパティキュレートフィルタ６９を迂回することになる。
【００９１】
そこで図１２に示される実施例では、排気管２３内に追加のパティキュレートフィルタ１８９を配置し、切替弁６１が全バイパス位置に保持されたときに微粒子が大気中に排出されないようにしている。
【００９２】
追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量も時間の経過と共に増大する。図１２に示される実施例では、例えば追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量が許容量を越えたときには、追加のパティキュレートフィルタ１８９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ追加のパティキュレートフィルタ１８９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追加のパティキュレートフィルタ１８９上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。なお、図１２に示される実施例では、追加のパティキュレートフィルタ１８９の温度を上昇させるために、燃料噴射弁６から機関膨張行程時又は排気行程時に追加の即ち２回目の燃料噴射が行われ、追加のパティキュレートフィルタ１８９に流入する排気ガスの温度が上昇せしめられる。パティキュレートフィルタ６９の温度も同様にして上昇される。
【００９３】
この場合、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されていると即ち排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内に導かれていると、まずパティキュレートフィルタ６９の温度が上昇され、追加のパティキュレートフィルタ１８９の温度を上昇させるのに時間を要することになる。
【００９４】
そこで図１２に示される実施例では、追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量を減少させるべきときにも切替弁６１を全バイパス位置に一時的に切り替えるようにしている。
【００９５】
このように、ＳＯＸ蓄積剤１８８からＳＯＸを放出すべきとき、機関減速運転時、追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量を減少させるべきときには、切替弁６１が一時的に全バイパス位置に切り替えられる。
【００９６】
ところが、切替弁６１が全バイパス位置に切り替えられると、上述したようにフィルタ収容室６８の騒音抑制作用が弱められ、騒音が増大することになる。
【００９７】
しかしながら、機関負荷が低く又は機関回転数が低いときには、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えても騒音はさほど増大しない。即ち、図１４に示されるように、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには切替弁６１を全バイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値よりも小さく維持され、しかしながら機関運転状態が領域ＮＬ内になると切替弁６１を全バイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値を越えて増大する。
【００９８】
そこで図１２に示される実施例では、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきとき又は保持すべきときに機関運転状態が領域ＮＳ内にあるか領域ＮＬ内にあるかを判別し、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには切替弁６１を全バイパス位置に切り替え又は保持し、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには切替弁６１を順流位置又は逆流位置に保持し又は切り替えるようにしている。
【００９９】
その結果、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときには騒音を抑制することができ、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには例えばＳＯＸ蓄積剤１８８からＳＯＸを確実に放出することができる。なお、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持され又は切り替えられると、燃料噴射弁６による２回目の燃料噴射が開始されず又は停止される。従って、ＳＯＸ蓄積剤１８８からのＳＯＸ放出作用及び追加のパティキュレートフィルタ１８９の昇温制御が開始されず又は中断されることになる。なお、領域ＮＳ及び領域ＮＬは機関負荷を表すアクセルペダルの踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として予め実験により求められており、図１４に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【０１００】
図１５は図１２に示される実施例において切替弁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。図１５を参照すると、まずステップ２２０では切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきか又は保持すべきか否かが判別される。切替弁６１を順流位置又は逆流位置に保持すべきときには次いでステップ２２１に進み、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持される。一方、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきとき又は保持すべきときには次いでステップ２２２に進み、現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるか否かが判別される。現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには次いでステップ２２３に進み、切替弁６１が全バイパス位置に切り替えられ又は保持される。これに対し、現在の機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときには次いでステップ２２１に進み、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に切り替えられ又は保持される。
【０１０１】
次に、図１２に示される実施例の別の実施例を、図１６に示されるルーチンを参照しながら説明する。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。
【０１０２】
図１６を参照すると、まずステップ２３０では切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきか又は保持すべきか否かが判別される。切替弁６１を順流位置又は逆流位置に保持すべきときには次いでステップ２３１に進み、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持される。一方、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきとき又は保持すべきときには次いでステップ２３２に進み、現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるか否かが判別される。現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには次いでステップ２３３に進み、切替弁６１が全バイパス位置に切り替えられ又は保持される。これに対し、現在の機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときには次いでステップ２３４に進み、切替弁６１が弱順流位置に切り替えられ又は保持される。
【０１０３】
即ち、この実施例は機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときに切替弁６１が弱順流位置（図５）に切り替えられる点で図１２に示される実施例と構成を異にしている。言い換えると、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときにはほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ６９を迂回して流通し、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときにはパティキュレートフィルタ６９内に排気ガスの一部が流入し、パティキュレートフィルタ６９を迂回する排気ガスの量が領域ＮＳ内にあるときに比べて減少している。
【０１０４】
このようにすると、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときに、フィルタ収容室６８の拡張作用によって騒音を抑制しながら、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を少なく維持することができる。従って、この場合には、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときにも、ＳＯＸ蓄積剤１８８からのＳＯＸ放出作用及び追加のパティキュレートフィルタ１８９の昇温制御を開始し又は継続することができることになる。
【０１０５】
ところで、図１及び図１２の実施例における順流位置及び逆流位置、並びに図９の実施例における閉塞位置を捕集位置と称し、図１の実施例における弱順流位置、図９の実施例における開放位置、及び図１２の実施例における全バイパス位置をバイパス位置と称すると、切替弁を捕集位置に保持した場合には、バイパス通路が遮断されてほぼ全ての排気ガスが拡大容積室内に導かれ、切替弁をバイパス位置に保持した場合には、排気ガスの少なくとも一部がバイパス通路内に導かれるということになる。
【０１０６】
その上で、図１及び図９に示される実施例では、切替弁が捕集位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、切替弁がバイパス位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにしているということになる。一方、図１２及び図１６に示される実施例では、切替弁をバイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値を越えるか否かを判断し、この騒音が許容値を越えると判断されたときには図１２に示される実施例では切替弁を捕集位置に保持するように切替弁の位置を制御し、図１６に示される実施例ではバイパス位置に保持しつつバイパス通路内を流通する排気ガスの量が減少するように切替弁の位置を制御しているということになる。
【０１０７】
更に、図１及び図９に示される実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたときに切替弁が一時的にバイパス位置に切り替えられる。また、図１２及び図１６に示される実施例では、例えばＳＯＸ蓄積剤１８８内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたとき、パティキュレートフィルタ６９の温度がしきい値よりも高い機関減速運転時、又は追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量が許容量を越えたときに、切替弁が一時的にバイパス位置に切り替えられる。
【０１０８】
そうすると、一般的に言うならば、ＮＯＸ触媒８１の状態、パティキュレートフィルタ６９の状態、ＳＯＸ蓄積剤１８８の状態、追加のパティキュレートフィルタ１８９の状態、又は機関運転状態に応じて切替弁がバイパス位置に一時的に切り替えられるようになっているということになる。
【０１０９】
【発明の効果】
排気ガスが排気通路内に形成された拡大容積室をバイパスしたときに生ずる騒音を抑制することができる。
【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】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６】マフラ内の排気ガスの流れを説明するための図である。
【図７】図１に示される実施例における消音制御弁の制御を説明するための図である。
【図８】図１に示される実施例における消音制御弁の制御を実行するためのフローチャートである。
【図９】本発明による別の実施例を示す図である。
【図１０】図９に示される実施例における消音制御弁の制御を実行するためのフローチャートである。
【図１１】本発明による更に別の実施例を示す図である。
【図１２】本発明による更に別の実施例を示す図である。
【図１３】切替弁が全バイパス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１４】運転領域を示す図である。
【図１５】図１２に示される実施例における消音制御弁の制御を実行するためのフローチャートである。
【図１６】本発明による更に別の実施例における消音制御弁の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
６１，１６１…切替弁
６４…排気ガス排出管
６７…環状排気管
６８…フィルタ収容室
７６，９９…追加のＮＯＸ触媒
７７…還元剤供給弁
８１…ＮＯＸ触媒
９０…マフラ
９３…排気ガス室
９５…消音制御弁
９８，１８９…追加のパティキュレートフィルタ
１８５…バイパス管
１８６…流量センサ
１８７…圧力センサ
１８８…ＳＯＸ蓄積剤
【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】
従来より、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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、ほぼ全ての排気ガスをバイパス通路内に導く全バイパス位置との間を切り替え可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置では、機関への燃料供給が一時的に停止される機関減速運転時に切替弁を全バイパス位置に保持し、それによって比較的低温の排気ガスによりパティキュレートフィルタの温度が低下するのを阻止するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
切替弁が捕集位置に保持され排気ガスがパティキュレートフィルタ内を流通しているときには、拡大容積室はマフラないし消音器の拡張室として作用し、その結果騒音が低く維持されている。ところが、上述したように切替弁が全バイパス位置に切り替えられると拡大容積室がもはや拡張室として作用し得なくなり、従って騒音が増大する恐れがある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、排気ガスが排気通路内に形成された拡大容積室をバイパスしたときに生ずる騒音を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００５】
【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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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と、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触媒とのうち少なくとも一方を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、排気ガスの少なくとも一部をバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切り替え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、拡大容積室下流の排気通路内に排気ガス室を備えたマフラを接続し、該マフラは、マフラ内における排気ガスの流れを切り替えることにより排気ガス室が共鳴室として作用するか又は拡張室として作用するかを切り替え可能になっており、排気ガス室が共鳴室として作用するか又は拡張室として作用するかを切替弁の位置に応じて切り替えるようにしている。
【０００６】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、切替弁が捕集位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、切替弁がバイパス位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにしている。
【０００７】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、切替弁がバイパス位置に保持されているときにバイパス通路内を流通する排気ガスの量を求める手段を具備し、該排気ガスの量が予め定められたしきい値よりも少ないときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、該排気ガスの量が該しきい値よりも多いときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにしている。
【０００８】
また、４番目の発明によれば２番目の発明において、マフラの排気ガス室内に別のパティキュレートフィルタを配置して排気ガス室を拡張室として作用させるべきときに排気ガス室内を流通する排気ガスが該別のパティキュレートフィルタを通過するようにしている。
【０００９】
また、５番目の発明によれば４番目の発明において、前記別のパティキュレートフィルタ上に、別のＮＯＸ触媒が担持されている。
【００１０】
また、６番目の発明によれば１番目の発明において、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路とマフラ間の排気通路内に、更に別のＮＯＸ触媒を配置している。
【００１１】
また、前記課題を解決するために７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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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と、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触媒とのうち少なくとも一方を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、排気ガスの少なくとも一部をバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切り替え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、切替弁をバイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値を越えるか否かを判断し、該騒音が許容値を越えると判断されたときには切替弁を捕集位置に保持するか、又はバイパス位置に保持しつつバイパス通路内を流通する排気ガスの量が減少するように切替弁の位置を制御する。
【００１２】
また、８番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、前記拡大容積室内に前記パティキュレートフィルタ及び前記ＮＯＸ触媒が共に収容されており、該パティキュレートフィルタ上に該ＮＯＸ触媒が担持されている。
【００１３】
また、９番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、捕集位置に保持されている切替弁の位置が、拡大容積室内に収容されているパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒の状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１４】
また、１０番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路とマフラ間の排気通路内に更に別のパティキュレートフィルタが配置されており、捕集位置に保持されている切替弁が該更に別のパティキュレートフィルタの状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１５】
また、１１番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、バイパス通路の流入端が開口する部分よりも上流の排気通路内に、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イオウ分を蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下すると蓄えているイオウ分を放出するイオウ分蓄積剤が配置されており、捕集位置に保持されている切替弁が該イオウ分蓄積剤の状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１６】
また、１２番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、捕集位置に保持されている切替弁が機関運転状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている。
【００１７】
また、１３番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、パティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその一端面のみを介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその他端面のみを介し流出するように排気ガスが案内されている。
【００１８】
また、１４番目の発明によれば１番目又は７番目の発明において、パティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその一端面を介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその他端面を介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えるための切り替え手段を具備している。
【００１９】
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。
【００２０】
【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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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を介してマフラ９０が接続される。
【００２４】
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容量が比較的大きくなっているフィルタ収容室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。
【００２５】
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。
【００２６】
本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ６９上に、後述するようにＮＯＸ触媒８１が担持されている。しかしながら、フィルタ収容室６８内にパティキュレートフィルタ６９とＮＯＸ触媒８１とのうちいずれか一方を収容した場合にも本発明を適用することができる。
【００２７】
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追加のＮＯＸ触媒７６が収容される。
【００２８】
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に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁７７が取り付けられる。還元剤供給弁７７には電気制御式の還元剤ポンプ７８から還元剤が供給される。本発明による実施例では還元剤として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。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に還元剤供給弁が配置されていない。
【００２９】
図１及び図３を参照すると、マフラ９０はケーシング９１と、排気管２３に接続されかつケーシング９１内を貫通して延びる排気管９２とを具備し、排気管９２周りのケーシング９１内部空間内には比較的大きな容積を有する環状の排気ガス室９３が形成されている。排気管９２の下流側には多数の小孔９４が形成され、これら小孔９４を介して排気管９２内部空間と排気ガス室９３とが互いに連通している。また、排気管９２の上流側にはアクチュエータ９４により駆動される消音制御弁９５によって開放又は閉塞される連通孔９６が設けられる。後述するように、連通孔９６が開放されると排気管９２の内部空間が連通孔９６を介して排気ガス室９３に連通される。一方、排気管９２の下流側には多数の小孔９７が形成される。これら小孔９７は排気管９２の内部空間を常時、排気ガス室９３に連通している。更に、連通孔９６と小孔９７間の排気ガス室９３内には環状をなす追加のパティキュレートフィルタ９８が収容され、この追加のパティキュレートフィルタ９８上にはＮＯＸ触媒９９が担持されている。
【００３０】
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。
【００３１】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００３２】
電子制御ユニット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。パティキュレートフィルタ６９の例えば中心部にはパティキュレートフィルタ６９の温度を検出するための温度センサ４８が取り付けられ、温度センサ４８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２０ａには排気管２０ａ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。
【００３３】
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、還元剤供給弁７７、還元剤剤ポンプ７８、及び消音制御弁駆動用アクチュエータ９４にそれぞれ接続される。
【００３４】
触媒コンバータ２２の切替弁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排気管２０ａ内に流入し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出管６４内に流出する。
【００３５】
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。
【００３６】
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。言い換えると、排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内にその一端面を介し流入しパティキュレートフィルタ６９からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はパティキュレートフィルタ６９内にその他端面を介し流入しパティキュレートフィルタ６９からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替え可能になっている。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。
【００３７】
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、次いで追加のＮＯＸ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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
追加のパティキュレートフィルタ９８もパティキュレートフィルタ６９と同様に構成され、追加のパティキュレートフィルタ９８の隔壁上に追加のＮＯＸ触媒９９が担持される。また、追加のＮＯＸ触媒７６，９９もＮＯＸ触媒８１と同様に構成される。
【００４６】
上述したように切替弁６１が順流位置に保持されても逆流位置に保持されても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。
【００４７】
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還元剤供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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か又は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し、パティキュレートフィルタ６９の圧損が増大する。
【００５１】
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。
【００５２】
図１に示される実施例では、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。また、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還元剤供給弁７７から還元剤が供給され、この還元剤はパティキュレートフィルタ６９上で燃焼する。
【００５３】
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。
【００５４】
ところで、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
そこで図１に示される実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ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ＳＯＸを還元しＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるために還元剤供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に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理論空燃比又はリッチに切り替えられる。
【００５８】
この場合、図１に示される実施例では、ＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を低減すべきときに切替弁６１が図５に示される弱順流位置に保持される。切替弁６１がこの弱順流位置に保持されると、図５に示されるように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ＮＯＸ触媒８１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ＮＯＸ触媒８１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ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量が低減され、ＮＯＸ触媒８１における排気ガスの空間速度が低下する。
【００５９】
従って、切替弁６１を弱順流位置に保持すると、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えるのに必要な還元剤の量を低減することができることになる。また、ＮＯＸ触媒８１に供給された還元剤のＮＯＸ触媒８１内における滞留時間が長くなり、従って還元剤がＳＯＸ還元のために有効に利用されうる。ここで、切替弁６１の流入ポート６２から流出ポート６３までの排気ガス流路はパティキュレートフィルタ６９を迂回するバイパス通路として作用することになる。
【００６０】
一方、マフラ９０の消音制御弁９５は図６に実線で示される共鳴位置と破線で示される拡張位置のうちいずれか一方に保持される。消音制御弁９５が共鳴位置に保持されると連通孔９６が閉塞され、その結果排気ガス室９３が共鳴室として作用するようになる。従って、この場合には排気ガス室９３の共鳴効果によって騒音が抑制されることになる。なお、消音制御弁９５が共鳴位置にあるときの排気ガスの流れが図６において実線の矢印で示されている。
【００６１】
これに対し、消音制御弁９５が拡張位置に保持されると連通孔９６が開放され、連通孔９６と小孔９７間の排気管９２が消音制御弁９２によって閉塞される。その結果、排気管９２内に流入した排気ガスは図６において破線の破線で示されるように、連通孔９６を介して排気ガス室９３内に流入し、次いで追加のパティキュレートフィルタ９８を通過した後に、小孔９７を介して排気管９２内に戻る。排気ガス室９３の容積は上述したように比較的大きくなっており、その結果排気ガス室９３が拡張室として作用するようになる。従って、この場合には排気ガス室９３の拡張作用によって騒音が抑制されることになる。
【００６２】
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は、排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内を通過し、即ちフィルタ収容室６８内を通過する。上述したようにこのフィルタ収容室６８の容積は比較的大きくなっており、その結果フィルタ収容室６８が拡張室として作用するようになる。言い換えると、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はフィルタ収容室６８の拡張作用によって騒音が抑制されている。
【００６３】
そこで図１に示される実施例では、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は、消音制御弁９５を共鳴位置に保持し、排気ガス室９３を共鳴室として作用させるようにしている。その結果、幅広い周波数域の騒音を抑制することができる。
【００６４】
ところが、上述したように例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるべきときには切替弁６１が弱順流位置に切り替えられ、このとき多量の排気ガスがフィルタ収容室６８を迂回する。このため、フィルタ収容室６８の騒音抑制作用が弱められることになる。
【００６５】
そこで図１に示される実施例では、切替弁６１が弱順流位置に切り替えられたときには、消音制御弁９５を拡張位置に切り替えるようにしている。その結果、上述したように排気ガス室９３が拡張室として作用し、騒音を抑制し続けることが可能になる。また、このときパティキュレートフィルタ６９及びＮＯＸ触媒８１を迂回した排気ガスは追加のパティキュレートフィルタ９８及び追加のＮＯＸ触媒９９を通過し、従って切替弁６１が弱順流位置に保持されたときに大気中に排出される微粒子及びＮＯＸの量を低減することができる。
【００６６】
即ち、図７に示されるように、切替弁６１が例えばパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量に応じて順流位置と逆流位置の間で交互に切り替えられ、このとき消音制御弁９５は共鳴位置に保持される。次いで、切替弁６１が弱順流位置に切り替えられると、消音制御弁９５が拡張位置に切り替えられる。切替弁６１が例えば順流位置に戻されると消音制御弁９５も共鳴位置に戻される。
【００６７】
図８は図１に示される実施例において消音制御弁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。図８を参照すると、まずステップ２００では切替弁６１が弱順流位置に保持されているか否かが判別される。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はステップ２０１に進み、消音制御弁９５が共鳴位置に保持される。これに対し、切替弁６１が弱順流位置に保持されているときにはステップ２０２に進み、消音制御弁９５が拡張位置に保持される。
【００６８】
なお、切替弁６１が弱順流位置に保持されたときには、排気ガス中のＮＯＸは追加のＮＯＸ触媒７６，９９内に蓄えられ、微粒子は追加のパティキュレートフィルタ９８上に堆積する。しかしながら、切替弁６１が弱順流位置に保持される時間はさほど長くなく、従って追加のＮＯＸ触媒７６，９９内の蓄積ＮＯＸ量を減少させ又は追加のパティキュレートフィルタ９８上の堆積微粒子量を減少させるための特別な制御は必ずしも必要ない。
【００６９】
また、図１に示される実施例における切替弁６１の弱順流位置はパティキュレートフィルタ６９内を流通する排気ガスの量をほぼ一定にする位置であり、従って機関運転状態が変動し内燃機関から排出される排気ガスの量が変動することを考えると、この場合の弱順流位置は必ずしも一定の角度位置ではない。
【００７０】
図９は本発明による別の実施例を示している。図９に示される実施例では、排気管２０ａの出口に触媒コンバータ２２のケーシング１６８が接続され、このケーシング１６８内にＮＯＸ触媒８１を担持したパティキュレートフィルタ６９が収容されている。ケーシング１６８の出口は排気管１２３を介しマフラ９０に接続されている。
【００７１】
排気管２０ａからバイパス管１８５が分岐されており、このバイパス管１８５の流出端は排気管１２３内に開口している。また、バイパス管１８５の流入端が開口している排気管２０ａの部分には切替弁１６１が配置されている。この切替弁１６１は図９に実線で示されるように、バイパス管１８５を閉塞してほぼ全ての排気ガスをケーシング１６８内に導く閉塞位置と、図９に破線で示されるように排気ガスの大部分がバイパス管１８５内に流入し、残りのわずかな量の排気ガスがケーシング１６８内に流入する開放位置との間を切替可能になっている。従って、図９に示される実施例では、切替弁１６１が閉塞位置にあるときにも開放位置にあるときにも、パティキュレートフィルタ６９又はＮＯＸ触媒８１を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内又はＮＯＸ触媒８１内にその一端面のみを介し流入しパティキュレートフィルタ６９又はＮＯＸ触媒８１からその他端面のみを介し流出するように排気ガスが案内されているということになる。
【００７２】
ここで、図９に示される実施例では、開放位置に保持されているときの切替弁６１の角度位置ないし開度は一定に保持される。
【００７３】
また、バイパス管１８５内にはバイパス管１８５内を流通する排気ガスの量を検出するための流量センサ１８６が取り付けられる。なお、切替弁１６１を駆動するためのアクチュエータ及び流量センサ１８６は図示しない電子制御ユニットに接続されている。更に、切替弁１６１とケーシング１６８との間の排気管２０ａ内に還元剤供給弁７７が配置されている。
【００７４】
通常、切替弁１６１は閉塞位置に保持され、マフラ９０の消音制御弁９５は共鳴位置に保持されている。例えばＮＯＸ触媒８１内のＳＯＸを還元し蓄積ＳＯＸ量を減少させるべきときには、切替弁１６１が一時的に開放位置に切り替えられ、このとき消音制御弁９５が一時的に拡張位置に切り替えられる。
【００７５】
ここで、上述したように開放位置に保持されているときの切替弁６１の角度位置ないし開度は一定に保持される。従って、機関運転状態が変動するとバイパス管１８５内を流通する排気ガスの量が変動することになり、即ち拡大容積室を形成するケーシング１６８を迂回する排気ガスの量が変動することになる。
【００７６】
一方、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量がさほど多くないときには、ケーシング１６８の騒音抑制作用が必ずしも弱められておらず、マフラ９０の排気ガス室９３を拡張室として作用させる必要はない。むしろ、このような場合には排気ガス室９３を共鳴室として作用させた方が、騒音を抑制できる。
【００７７】
そこで図９に示される実施例では、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量を求め、この排気ガスの量が予め定められたしきい値よりも多いときには、消音制御弁９５を拡張位置に保持し、しきい値よりも少ないときには消音制御弁９５を共鳴位置に保持するようにしている。このようにすると、切替弁１６１が開放位置に切り替えられたときに騒音抑制作用が悪化するのを更に阻止することができる。
【００７８】
図１０は図９に示される実施例において消音制御弁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。図１０を参照すると、まずステップ２１０では切替弁１６１が開放位置に保持されているか否かが判別される。切替弁１６１が閉塞位置に保持されているときにはステップ２１１に進み、消音制御弁９５が共鳴位置に保持される。これに対し、切替弁１６１が開放位置に保持されているときにはステップ２１２に進み、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量ＱＢが予め定められたしきい値Ｑ０よりも多いか否かが判別される。ＱＢ≦Ｑ０のときには次いでステップ２１１に進み、消音制御弁９５が共鳴位置に保持される。これに対し、ＱＢ＞Ｑ０のときには次いでステップ２１３に進み、消音制御弁９５が拡張位置に保持される。
【００７９】
図９に示される実施例では、バイパス管１８５内を流通する排気ガスの量を求めるためにバイパス管１８５に流量センサ１８６を取り付けている。しかしながら、図１１に示されるように、バイパス管１８５内の圧力を検出するための圧力センサ１８７をバイパス管１８５に取り付け、バイパス管１８５内の圧力に基づきバイパス管１８５内を流通する排気ガスの量ＱＢを推定することもできる。なお、圧力センサ１８７は図示しない電子制御ユニットに接続されている。
【００８０】
これまで述べてきた実施例では、マフラ９０は単一の排気ガス室９３を備えている。しかしながら、マフラ９０に共鳴室又は拡張室として作用する追加の排気ガス室を設けることもできる。
【００８１】
図１２は本発明による更に別の実施例を示している。図１２に示される実施例では、排気管２０ａ内にＳＯＸ蓄積剤１８８が配置され、排気管２３内に追加のパティキュレートフィルタ１８９が配置されている。なお、この実施例では図１に示される還元剤供給弁及びマフラが設けられていない。
【００８２】
ＳＯＸ蓄積剤１８８は例えばアルミナを担体とし、この担体上に鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉ、錫Ｓｎのような遷移金属及びリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つが担持されている。このＳＯＸ蓄積剤１８８はＮＯＸ触媒と同様に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下すると蓄えているＳＯＸを放出する。ただし、ＳＯＸ蓄積剤１８８はＮＯＸ触媒よりも、蓄えられているＳＯＸを容易に放出させることができる。これはＳＯＸが硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯＸ蓄積剤内に存在しているか、或いは硫酸塩ＢａＳＯ４が生成されたとしても硫酸塩ＢａＳＯ４が安定しない状態でＳＯＸ蓄積剤内に存在しているためであると考えられている。
【００８３】
ＳＯＸ蓄積剤１８８内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されており、従って排気ガス中のＳＯＸはＳＯＸ蓄積剤１８８内に蓄えられる。その結果、ＮＯＸ触媒８１内にＳＯＸが流入するのを阻止することができる。
【００８４】
時間の経過と共にＳＯＸ蓄積剤１８８内の蓄積ＳＯＸ量は次第に増大する。図１２に示される実施例では、例えばＳＯＸ蓄積剤１８８内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたときにはＳＯＸ蓄積剤１８８内に蓄えられているＳＯＸを放出させるためにＳＯＸ蓄積剤１８８内に流入する排気ガスの平均空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチに切り替えるようにしている。なお、図１２に示される実施例では、ＳＯＸ蓄積剤１８８内に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにするために、燃料噴射弁６から機関膨張行程時又は排気行程時に２回目の燃料噴射が行われる。
【００８５】
ＳＯＸ蓄積剤１８８から放出されたＳＯＸは排気管２０ａを介し切替弁６１に到り、このとき切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されていると即ち排気ガスがＮＯＸ触媒８１内に導かれていると、このＳＯＸがＮＯＸ触媒８１内に蓄えられる恐れがある。
【００８６】
そこで図１２に示される実施例では、ＳＯＸ蓄積剤１８８からＳＯＸを放出させるべきときには切替弁６１を図１３に示される全バイパス位置に一時的に切り替えるようにしている。切替弁６１がこの全バイパス位置に保持されると、図１３に示されるようにほぼ全ての排気ガスが流入ポート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ＮＯＸ触媒８１を迂回し、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスはほぼゼロになる。
【００８７】
その結果、ＳＯＸ蓄積剤１８８から放出されたＳＯＸはＮＯＸ触媒８１を迂回し、従ってＮＯＸ触媒８１内に蓄えられることがない。
【００８８】
一方、図１２に示される実施例では、機関減速運転時に機関への燃料供給作用が一時的に停止され、このときの排気ガスの温度は比較的低くなっている。従って、このとき切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されていると、この低温の排気ガスによってパティキュレートフィルタ６９の温度が低下する恐れがある。
【００８９】
そこで図１２に示される実施例では、パティキュレートフィルタ６９の温度が予め定められたしきい値よりも低い機関減速運転時には、切替弁６１を一時的に全バイパス位置に切り替えるようにしている。その結果、低温の排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内に流入しなくなり、パティキュレートフィルタ６９の温度が高く維持される。
【００９０】
ところが、このように切替弁６１が全バイパス位置に保持されると、このとき排気ガス中に含まれる微粒子がパティキュレートフィルタ６９を迂回することになる。
【００９１】
そこで図１２に示される実施例では、排気管２３内に追加のパティキュレートフィルタ１８９を配置し、切替弁６１が全バイパス位置に保持されたときに微粒子が大気中に排出されないようにしている。
【００９２】
追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量も時間の経過と共に増大する。図１２に示される実施例では、例えば追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量が許容量を越えたときには、追加のパティキュレートフィルタ１８９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ追加のパティキュレートフィルタ１８９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追加のパティキュレートフィルタ１８９上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。なお、図１２に示される実施例では、追加のパティキュレートフィルタ１８９の温度を上昇させるために、燃料噴射弁６から機関膨張行程時又は排気行程時に追加の即ち２回目の燃料噴射が行われ、追加のパティキュレートフィルタ１８９に流入する排気ガスの温度が上昇せしめられる。パティキュレートフィルタ６９の温度も同様にして上昇される。
【００９３】
この場合、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されていると即ち排気ガスがパティキュレートフィルタ６９内に導かれていると、まずパティキュレートフィルタ６９の温度が上昇され、追加のパティキュレートフィルタ１８９の温度を上昇させるのに時間を要することになる。
【００９４】
そこで図１２に示される実施例では、追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量を減少させるべきときにも切替弁６１を全バイパス位置に一時的に切り替えるようにしている。
【００９５】
このように、ＳＯＸ蓄積剤１８８からＳＯＸを放出すべきとき、機関減速運転時、追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量を減少させるべきときには、切替弁６１が一時的に全バイパス位置に切り替えられる。
【００９６】
ところが、切替弁６１が全バイパス位置に切り替えられると、上述したようにフィルタ収容室６８の騒音抑制作用が弱められ、騒音が増大することになる。
【００９７】
しかしながら、機関負荷が低く又は機関回転数が低いときには、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えても騒音はさほど増大しない。即ち、図１４に示されるように、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには切替弁６１を全バイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値よりも小さく維持され、しかしながら機関運転状態が領域ＮＬ内になると切替弁６１を全バイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値を越えて増大する。
【００９８】
そこで図１２に示される実施例では、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきとき又は保持すべきときに機関運転状態が領域ＮＳ内にあるか領域ＮＬ内にあるかを判別し、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには切替弁６１を全バイパス位置に切り替え又は保持し、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには切替弁６１を順流位置又は逆流位置に保持し又は切り替えるようにしている。
【００９９】
その結果、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときには騒音を抑制することができ、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには例えばＳＯＸ蓄積剤１８８からＳＯＸを確実に放出することができる。なお、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持され又は切り替えられると、燃料噴射弁６による２回目の燃料噴射が開始されず又は停止される。従って、ＳＯＸ蓄積剤１８８からのＳＯＸ放出作用及び追加のパティキュレートフィルタ１８９の昇温制御が開始されず又は中断されることになる。なお、領域ＮＳ及び領域ＮＬは機関負荷を表すアクセルペダルの踏み込み量Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として予め実験により求められており、図１４に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【０１００】
図１５は図１２に示される実施例において切替弁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。図１５を参照すると、まずステップ２２０では切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきか又は保持すべきか否かが判別される。切替弁６１を順流位置又は逆流位置に保持すべきときには次いでステップ２２１に進み、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持される。一方、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきとき又は保持すべきときには次いでステップ２２２に進み、現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるか否かが判別される。現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには次いでステップ２２３に進み、切替弁６１が全バイパス位置に切り替えられ又は保持される。これに対し、現在の機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときには次いでステップ２２１に進み、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に切り替えられ又は保持される。
【０１０１】
次に、図１２に示される実施例の別の実施例を、図１６に示されるルーチンを参照しながら説明する。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。
【０１０２】
図１６を参照すると、まずステップ２３０では切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきか又は保持すべきか否かが判別される。切替弁６１を順流位置又は逆流位置に保持すべきときには次いでステップ２３１に進み、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持される。一方、切替弁６１を全バイパス位置に切り替えるべきとき又は保持すべきときには次いでステップ２３２に進み、現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるか否かが判別される。現在の機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときには次いでステップ２３３に進み、切替弁６１が全バイパス位置に切り替えられ又は保持される。これに対し、現在の機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときには次いでステップ２３４に進み、切替弁６１が弱順流位置に切り替えられ又は保持される。
【０１０３】
即ち、この実施例は機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときに切替弁６１が弱順流位置（図５）に切り替えられる点で図１２に示される実施例と構成を異にしている。言い換えると、機関運転状態が領域ＮＳ内にあるときにはほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ６９を迂回して流通し、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときにはパティキュレートフィルタ６９内に排気ガスの一部が流入し、パティキュレートフィルタ６９を迂回する排気ガスの量が領域ＮＳ内にあるときに比べて減少している。
【０１０４】
このようにすると、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときに、フィルタ収容室６８の拡張作用によって騒音を抑制しながら、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を少なく維持することができる。従って、この場合には、機関運転状態が領域ＮＬ内にあるときにも、ＳＯＸ蓄積剤１８８からのＳＯＸ放出作用及び追加のパティキュレートフィルタ１８９の昇温制御を開始し又は継続することができることになる。
【０１０５】
ところで、図１及び図１２の実施例における順流位置及び逆流位置、並びに図９の実施例における閉塞位置を捕集位置と称し、図１の実施例における弱順流位置、図９の実施例における開放位置、及び図１２の実施例における全バイパス位置をバイパス位置と称すると、切替弁を捕集位置に保持した場合には、バイパス通路が遮断されてほぼ全ての排気ガスが拡大容積室内に導かれ、切替弁をバイパス位置に保持した場合には、排気ガスの少なくとも一部がバイパス通路内に導かれるということになる。
【０１０６】
その上で、図１及び図９に示される実施例では、切替弁が捕集位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、切替弁がバイパス位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにしているということになる。一方、図１２及び図１６に示される実施例では、切替弁をバイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値を越えるか否かを判断し、この騒音が許容値を越えると判断されたときには図１２に示される実施例では切替弁を捕集位置に保持するように切替弁の位置を制御し、図１６に示される実施例ではバイパス位置に保持しつつバイパス通路内を流通する排気ガスの量が減少するように切替弁の位置を制御しているということになる。
【０１０７】
更に、図１及び図９に示される実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたときに切替弁が一時的にバイパス位置に切り替えられる。また、図１２及び図１６に示される実施例では、例えばＳＯＸ蓄積剤１８８内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたとき、パティキュレートフィルタ６９の温度がしきい値よりも高い機関減速運転時、又は追加のパティキュレートフィルタ１８９上の堆積微粒子量が許容量を越えたときに、切替弁が一時的にバイパス位置に切り替えられる。
【０１０８】
そうすると、一般的に言うならば、ＮＯＸ触媒８１の状態、パティキュレートフィルタ６９の状態、ＳＯＸ蓄積剤１８８の状態、追加のパティキュレートフィルタ１８９の状態、又は機関運転状態に応じて切替弁がバイパス位置に一時的に切り替えられるようになっているということになる。
【０１０９】
【発明の効果】
排気ガスが排気通路内に形成された拡大容積室をバイパスしたときに生ずる騒音を抑制することができる。
【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】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６】マフラ内の排気ガスの流れを説明するための図である。
【図７】図１に示される実施例における消音制御弁の制御を説明するための図である。
【図８】図１に示される実施例における消音制御弁の制御を実行するためのフローチャートである。
【図９】本発明による別の実施例を示す図である。
【図１０】図９に示される実施例における消音制御弁の制御を実行するためのフローチャートである。
【図１１】本発明による更に別の実施例を示す図である。
【図１２】本発明による更に別の実施例を示す図である。
【図１３】切替弁が全バイパス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１４】運転領域を示す図である。
【図１５】図１２に示される実施例における消音制御弁の制御を実行するためのフローチャートである。
【図１６】本発明による更に別の実施例における消音制御弁の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
６１，１６１…切替弁
６４…排気ガス排出管
６７…環状排気管
６８…フィルタ収容室
７６，９９…追加のＮＯＸ触媒
７７…還元剤供給弁
８１…ＮＯＸ触媒
９０…マフラ
９３…排気ガス室
９５…消音制御弁
９８，１８９…追加のパティキュレートフィルタ
１８５…バイパス管
１８６…流量センサ
１８７…圧力センサ
１８８…ＳＯＸ蓄積剤
Claims (14)
- 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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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と、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触媒とのうち少なくとも一方を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、排気ガスの少なくとも一部をバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切り替え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、拡大容積室下流の排気通路内に排気ガス室を備えたマフラを接続し、該マフラは、マフラ内における排気ガスの流れを切り替えることにより排気ガス室が共鳴室として作用するか又は拡張室として作用するかを切り替え可能になっており、排気ガス室が共鳴室として作用するか又は拡張室として作用するかを切替弁の位置に応じて切り替えるようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 切替弁が捕集位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、切替弁がバイパス位置に保持されているときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 切替弁がバイパス位置に保持されているときにバイパス通路内を流通する排気ガスの量を求める手段を具備し、該排気ガスの量が予め定められたしきい値よりも少ないときにはマフラの排気ガス室が共鳴室として作用するようにし、該排気ガスの量が該しきい値よりも多いときにはマフラの排気ガス室が拡張室として作用するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- マフラの排気ガス室内に別のパティキュレートフィルタを配置して排気ガス室を拡張室として作用させるべきときに排気ガス室内を流通する排気ガスが該別のパティキュレートフィルタを通過するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記別のパティキュレートフィルタ上に、別のＮＯＸ触媒が担持されている請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路とマフラ間の排気通路内に、更に別のＮＯＸ触媒を配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 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内に拡大容積室を形成すると共に、流入する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と、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触媒とのうち少なくとも一方を拡大容積室内に収容し、拡大容積室を迂回して拡大容積室上流の排気通路と拡大容積室下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、バイパス通路を遮断してほぼ全ての排気ガスを拡大容積室内に導く捕集位置と、排気ガスの少なくとも一部をバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切り替え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、切替弁をバイパス位置に保持したときに生ずる騒音が許容値を越えるか否かを判断し、該騒音が許容値を越えると判断されたときには切替弁を捕集位置に保持するか、又はバイパス位置に保持しつつバイパス通路内を流通する排気ガスの量が減少するように切替弁の位置を制御する内燃機関の排気浄化装置。
- 前記拡大容積室内に前記パティキュレートフィルタ及び前記ＮＯＸ触媒が共に収容されており、該パティキュレートフィルタ上に該ＮＯＸ触媒が担持されている請求項１又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 捕集位置に保持されている切替弁の位置が、拡大容積室内に収容されているパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒の状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている請求項１又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路とマフラ間の排気通路内に更に別のパティキュレートフィルタが配置されており、捕集位置に保持されている切替弁が該更に別のパティキュレートフィルタの状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている請求項１又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- バイパス通路の流入端が開口する部分よりも上流の排気通路内に、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イオウ分を蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下すると蓄えているイオウ分を放出するイオウ分蓄積剤が配置されており、捕集位置に保持されている切替弁が該イオウ分蓄積剤の状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている請求項１又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 捕集位置に保持されている切替弁が機関運転状態に応じて一時的にバイパス位置に切り替えられるようになっている請求項１又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- パティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその一端面のみを介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその他端面のみを介し流出するように排気ガスが案内されている請求項１又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- パティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその一端面を介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はパティキュレートフィルタ内又はＮＯＸ触媒内にその他端面を介し流入しパティキュレートフィルタ又はＮＯＸ触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えるための切り替え手段を具備した請求項１又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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