JP2001317335A

JP2001317335A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2001317335A
Application number: JP2000131655A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hirota; 信也広田; Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Kazuhiro Ito; 和浩伊藤; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Koichiro Nakatani; 好一郎中谷; Koichi Kimura; 光壱木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-11-16
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP3642257B2

Abstract

(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタに捕集された微粒子
をより確実に且つ連続的に燃焼せしめると共に、パティ
キュレートフィルタにおける微粒子の酸化除去能力を高
める必要があるときには、パティキュレートフィルタを
速やかに昇温させることができる内燃機関の排気浄化装
置を提供する。【解決手段】排気ガス中の微粒子の酸化を促進する活性
酸素放出剤が担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕
獲可能なフィルタと、前記フィルタの一方側から排気ガ
スを流す第１の流れとフィルタの他方側から排気ガスを
流す第２の流れとを交互に切換える排気切換手段と、を
備え、前記第１の流れを使用した時と第２の流れを使用
した時とで前記フィルタに流入する排気ガスの温度が異
なるように構成され、前記フィルタの温度が低く微粒子
の酸化を促進させる必要があるときに、前記第１の流れ
及び前記第２の流れのうち前記フィルタに流入する排気
ガスの温度が高い側を選択する制御手段を有することを
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
化装置に係り、特に、排気浄化装置に設けられるフィル
タに対して、その排気上流側及び排気下流側から交互に
排気を通過させるように構成した排気浄化装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関から排出される排気ガス
中の微粒子を除去する排気浄化装置として、その内燃機
関の排気通路にパティキュレートフィルタを配置し、こ
のパティキュレートフィルタによって排気ガス中に含ま
れる煤などの微粒子を除去するものがある。

【０００３】より具体的には、排気通路に設けられるパ
ティキュレートフィルタに微粒子を含む排気ガスを流入
させ、この排気ガス中に含まれる微粒子をパティキュレ
ートフィルタで捕集する。そして、このパティキュレー
トフィルタに捕集された微粒子を着火燃焼させて微粒子
を除去する。

【０００４】しかしながら、このパティキュレートフィ
ルタに捕集された微粒子は、通常、６００度以上の高温
にならないと着火せず、ディーゼル機関など機関本体か
ら排出される排気ガスの温度が６００度に満たない内燃
機関では、この排気ガス熱を利用してパティキュレート
フィルタ上に捕集された微粒子を着火せしめることは非
常に困難であった。このため、この種の内燃機関から排
出される排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ
上に捕集された微粒子を着火せしめるには、微粒子がよ
り低い温度で着火するように対策しなければならなかっ
た。

【０００５】そこで、この対策の一例として、微粒子の
着火温度を低下せしめる触媒をパティキュレートフィル
タ上に担持させ、より低い温度で微粒子が着火するよう
にした種々のパティキュレートフィルタが公知である。

【０００６】例えば、白金族金属およびアルカリ土類金
属酸化物の混合物をパティキュレートフィルタ上に担持
させ、約３５０度から４００度の比較的低い温度におい
ても微粒子が着火するパティキュレートフィルタが特公
平７−１０６２９０号公報として開示されている。

【０００７】一方、ディーゼル機関では、その高負荷時
において排気ガス温が３５０度から４００度に達する。
このため上記したパティキュレートフィルタを採用した
場合には、高負荷時における排気ガス熱により微粒子が
着火燃焼され、微粒子が完全に除去されるように見え
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、排気ガ
スに含まれる微粒子が少ない時には、その微粒子の全て
を連続的に着火燃焼させることができるが、排気ガス中
に含まれる微粒子が多くなるにつれて、パティキュレー
トフィルタ上に付着する微粒子も増える。このためパテ
ィキュレートフィルタ上に付着した全ての微粒子が完全
に燃焼される前に、これら未燃焼の微粒子の上にさらに
別の微粒子が付着して、パティキュレートフィルタ上に
層状の未燃焼微粒子層が形成される現象がみられた。

【０００９】このようにパティキュレートフィルタに多
量の微粒子が付着すると、燃焼に必要な酸素と接触でき
る一部の微粒子は完全に燃焼して除去されるものの、酸
素と接触しにくい積層状に堆積した微粒子は燃焼されず
にパティキュレートフィルタ上に燃え残る。このため、
一旦、微粒子が堆積し始めると多量の微粒子がパティキ
ュレートフィルタ上に堆積し続けることになる。

【００１０】また、パティキュレートフィルタ上に燃え
残った微粒子は次第に着火しずらい微粒子に変化すると
言われている。燃焼しずらくなる要因としては、パティ
キュレートフィルタ上に微粒子が堆積している間に微粒
子中の炭素が燃焼しずらいグラファイトに変化するため
であると考えられている。事実、パティキュレートフィ
ルタ上に堆積し続けた微粒子は、３５０度から４００度
の温度では着火せず、この微粒子を着火燃焼せしめるに
は６００度以上の温度が必要となる。

【００１１】しかしながら、上記したようにディーゼル
機関などでは、通常、その排気ガス温度が６００度以上
に達することはなく、パティキュレートフィルタ上に一
旦微粒子が堆積し始めると、排気ガス熱を利用しての微
粒子の除去は極めて困難になる。

【００１２】また、堆積した微粒子が燃焼すると燃えカ
スである灰分、即ちアッシュになり、このアッシュが凝
縮して大きな塊になる。このためこのアッシュの塊によ
ってパティキュレートフィルタの細孔は目詰まりを起こ
すこともある。目詰まり起こした細孔の数は、時間の経
過と共に次第に増大するためパティキュレートフィルタ
における排気ガスの圧損は次第に大きくなる。その結
果、機関の出力が低下する恐れもある。また、パティキ
ュレートフィルタを早期に交換しなければならないとい
う新たな間題も生ずる。

【００１３】このように、この種のパティキュレートフ
ィルタを単に排気通路に装着しただけでは上記したよう
に種々の問題が生じる。特に、実際の運転状況下では機
関本体から多量の微粒子が放出されることもあり、より
多くの微粒子がパティキュレートフィルタ上に堆積す
る。

【００１４】また、機関始動直後など、パティキュレー
トフィルタの雰囲気温度が低いときには、パティキュレ
ートフィルタに補集された微粒子は十分に加熱されず、
パティキュレートフィルタに燃え残って堆積することも
ある。すなわち、パティキュレートフィルタの雰囲気温
度が低くなる運転状況下では、パティキュレートフィル
タの活性が下がり、パティキュレートフィルタのにおけ
る微粒子の酸化除去能力は低下する。

【００１５】したがって、排気ガス中に含まれる微粒子
の量と、パティキュレートフィルタにおいて着火燃焼し
うる微粒子の量とのバランスを考えてパティキュレート
フィルタ上に多量の微粒子が堆積しないようにする必要
がある。またさらに、パティキュレートフィルタの雰囲
気温度を高めてパティキュレートフィルタを活性化さ
せ、パティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が極
力瞬時に着火燃焼されるようにする必要がある。

【００１６】本発明は以上の点を考慮しなされたもの
で、パティキュレートフィルタに捕集された微粒子をよ
り確実に且つ連続的に燃焼させると共に、パティキュレ
ートフィルタにおける微粒子の酸化除去能力を高める必
要があるときには、パティキュレートフィルタを速やか
に昇温させることができる内燃機関の排気浄化装置を提
供することを課題とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に本発明の内燃機関の排気浄化装置は、次の手段を採用
した。

【００１８】すなわち、本出願に係る発明は、排気ガス
中の微粒子の酸化を促進する活性酸素放出剤が担持さ
れ、排気ガス中の微粒子を一時期捕獲可能なフィルタ
と、前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流
れとフィルタの他方側から排気ガスを流す第２の流れと
を交互に切換える排気切換手段と、を備え、前記第１の
流れを使用した場合と第２の流れを使用した場合とで前
記フィルタに流入する排気ガスの温度が異なるように構
成され、前記フィルタの温度が低く微粒子の酸化を促進
させる必要があるときに、前記第１の流れ及び前記第２
の流れのうち前記フィルタに流入する排気ガスの温度が
高い側の流れを選択する制御手段を有することを特徴と
する。

【００１９】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、フィルタの温度が低くフィルタにおける微粒
子の酸化を促進させる必要があるときに、フィルタに対
して流れ込む排気ガスの温度が高くなる流れを選択する
ことにより、速やかにフィルタを昇温させてフィルタの
活性を高めることができる。よって、フィルタにおける
微粒子の酸化除去能力は高まり、より多くの微粒子を確
実且つ連続的に燃焼せしめることができる。

【００２０】また、フィルタに対してその双方から排気
ガスが流入するため、フィルタの両面に微粒子が捕集さ
れ単位面積あたりの微粒子の付着量が大幅に減少する。
また、フィルタに捕集された微粒子は、流入方向が変化
する排気ガスの流れによってフィルタの基材内部を活発
に動き回ることとなり、微粒子の酸化が促進される。従
って、より多くの微粒子を効率良く除去することができ
る。

【００２１】また、本発明では、フィルタに流入する排
気ガスの温度が高い側の流れの途中に、フィルタを昇温
させる燃料を供給する燃料供給手段を設けてもよい。こ
の場合、燃料供給手段により供給された燃料は、フィル
タ上で反応熱を放出しながら酸化され、この燃料の酸化
時における反応熱によりフィルタが昇温する。また、フ
ィルタに供給される燃料は、フィルタの温度が高い側に
供給されることとなり、これらの相乗効果によってフィ
ルタの温度をより素早く上昇させることができる。

【００２２】また、本発明では、前記排気切換手段から
前記フィルタに至る前記第１の流れを形成する第１の排
気通路と、前記排気切換手段から前記フィルタに至る前
記第２の流れを形成する第２の排気通路と、を備え、前
記第１の排気通路と前記第２の排気通路とではその長さ
が互いに異なり、前記フィルタの温度が低く微粒子の酸
化を促進させる必要があるときに、前記制御手段は、前
記排気切換手段によって前記第１の排気通路及び前記第
２の排気通路のうち長さの短い方の排気通路を選択して
前記フィルタに排気ガスを流入させるように構成するこ
ともできる。

【００２３】すなわち、フィルタを昇温させるにあって
は排気切換手段からフィルタに至る経路が短い排気通路
を選択することにより、その排気通路を流下する際に奪
われる熱量を減らしてフィルタにより高い温度の排気ガ
スを流し込む。よってフィルタはこの温度の高い排気ガ
スにより早期に昇温されることとなる。

【００２４】また、本発明では、フィルタに流入する排
気ガスの温度が高い側の流れを選択したとき、その流れ
におけるＳＶ値を低下せしめるように前記排気切換手段
を制御すると共に、このＳＶ値の小さい流れの途中に前
記燃料供給手段を備えるように構成することもできる。
この場合、このＳＶ値の低い排気ガス流にのってフィル
タ上に燃料が供給されるため、フィルタにおいてより確
実に燃料が酸化される。このためフィルタがさらに短時
間にて昇温する。また、フィルタを通過する排気ガスの
ＳＶ値も低くなるため、燃料の酸化により放出される反
応熱は効率よくフィルタに伝導される。したがって、こ
れらの相乗効果により、より短時間に且つ確実にフィル
タを昇温せしめることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施の形態について説明する。

【００２６】＜装置構成の概要＞図１は本発明の排気浄
化装置を圧縮着火式内燃機関に採用した例を示してい
る。機関本体１は、ピストン４を内包するシリンダブロ
ック２と、シリンダブロック２の上部に設けられピスト
ン４との間に燃焼室５を形成するシリンダヘッド３と、
シリンダヘッド３に設けられ燃焼室５内に燃料を噴射す
る電気制御式燃料噴射弁６と、燃焼室５に空気を供給す
る吸気ポート８及び吸気弁７、並びに燃焼後のガス（排
気ガス）を燃焼室５内より排出するための排気ポート１
０及び排気弁９、を備える。

【００２７】また、吸気ポート８は対応する吸気枝管１
１を介してサージタンク１２に連結されており、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に連結されている。また、
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が設けられ、さらに吸気ダクト１
３の周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却
する冷却装置１８が設けられている。なお、冷却装置１
８内には機関冷却水が導びかれ、この機関冷却水によっ
て吸入空気が冷却される。

【００２８】一方、排気ポート１０は排気マニホルド１
９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４
の排気タービン２１に連結される。そして、排気タービ
ン２１の出口はパティキュレートフィルタ２２を内蔵し
たケーシング２３を備える排気浄化装置に連結される。
なお、パティキュレートフィルタ２２には、その雰囲気
温度を検出するフィルタ温度検出センサ３９が取り付け
られている。

【００２９】また、排気マニホルド１９とサージタンク
１２は、排気ガス再循環通路２４（以下、ＥＧＲ通路と
称す）を介して互いに連結されており、このＥＧＲ通路
２４には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が設けられると共
に、そのＥＧＲ通路２４の内部を流れるＥＧＲガスを冷
却する冷却装置２６を備えている。なお、ＥＧＲガスを
冷却する冷却装置２６には機関冷却水が導びかれ、この
機関冷却水によってＥＧＲガスは冷却されている。

【００３０】シリンダヘッド３に設けられる電動式燃料
噴射弁６は、燃料供給管６ａを介してコモンレール２７
（蓄圧室）に連結されている。このコモンレール２７に
は電気制御により燃料の吐出量を可変させることができ
る燃料ポンプ２８が設けられ、この燃料ポンプ２８を介
して燃料タンクからコモンレール２７内に燃料が供給さ
れる。そして、このコモンレール２７内に供給された燃
料が燃料供給管６ａを介して電動式燃料噴射弁６に供給
される。また、コモンレール２７には、コモンレール２
７内の燃圧（燃料圧力）を検出する燃圧検出センサ２９
が設けられ、この燃圧検出センサ２９の出力信号に基づ
いて、コモンレール２７内に供給される燃料が目標燃圧
となるように燃料ポンプ２８の吐出量が調節されてい
る。

【００３１】電子制御ユニット３０はデジタルコンピュ
ーターからなり、双方向性バス３１によって互いに接続
されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ラ
ンダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（中央制御装置）
３４、入力ポート３５および出力ポート３６を備える。

【００３２】この電子制御ユニット３０に設けられる入
力ポート３５には、上記した燃圧検出センサ２９、及び
パティキュレートフィルタ２２に設けられたフィルタ温
度検出センサ３９、機関本体の出力調節を行うアクセス
ペダル４０に設けられアクセスペダル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等が対応
するＡ／Ｄ変換器３７を介して接続されている。さら
に、ピストン４がコンロッド（図示せず）を介して連結
されるクランクシャフトが例えば３０°回転する毎にパ
ルス信号を出すクランク角センサ４２なども接続され
る。そして、電子制御ユニット３０では、これら入力ポ
ートに入力される各種信号などに基づいて、現在の運転
状況を把握することができる。

【００３３】一方、出力ポート３６側には複数の駆動回
路３８が設けられ、上記した電動式燃料噴射弁６、スロ
ットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２
５、燃料ポンプ２８などはそれぞれ対応する駆動回路３
８を介して電子制御ユニット３０に接続している。そし
て、各装置は電子制御ユニット３０により適切に駆動
（制御）される。

【００３４】電子制御ユニット３０内で行われる制御と
しては、例えば、燃焼室５内に燃料を適切量供給する燃
料供給制御などが行われている。以下、図２を参照して
この燃料噴射に係る燃料供給制御を説明する。なお、図
２（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４０の踏
込み量Ｌと、機関回転数Ｎと、の関係を示している。ま
た、各曲線は等トルク曲線を表しており、ＴＱ＝０で示
される曲線はトルクが零であることを示す。また、残り
の曲線はＴＱ＝ａ，ＴＱ＝ｂ，ＴＱ＝ｃ，ＴＱ＝ｄの順
に次第に要求トルクが高くなる。

【００３５】この要求トルクＴＱは図２（Ｂ）に示され
るようにアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数
Ｎからなる関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に
記憶さており、本発明による実施例では図２（Ｂ）に示
すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機
関回転数Ｎに応じた要求トルクＴＱがまず初めに算出さ
れ、この要求トルクＴＱに基づいて燃料噴射量等が算出
されている。そして、この算出された燃料噴射量に見合
った燃料が燃焼室５内に供給されるように、電動式燃料
噴射弁６の作動時間及びコモンレール２７内の燃圧が適
切な値となるように調節される。

【００３６】＜排気浄化装置の構造＞以下、上記した機
関本体１に接続される排気浄化装置について説明する。
排気浄化装置は、図１、図３、図４に示すように、排気
タービン２１の出口に接続された上流側排気管７０と、
この上流側排気管７０から分岐してパティキュレートフ
ィルタ２２（以下、単にフィルタ２２と称す）を内蔵し
たケーシング２３に内包される該フィルタ２２の一方の
面に接続する第１の排気通路７６と、上流側排気管７０
から分岐して該フィルタ２２の他方の面に接続する第２
の排気通路７７と、を有する。さらに、上流側排気管７
０から分岐する第１の排気通路７６及び第２の排気通路
７７の分岐点には、ケーシング２３の下方及び各排気通
路７６，７７の下方を通るように配管された下流側排気
管７３が接続されている。

【００３７】なお、各排気通路７６，７７が接続される
フィルタ２２の表面には、排気ガスに含まれる微粒子を
強力に酸化（燃焼）させる能力を有する活性酸素放出剤
などの各種触媒が担持されており、フィルタ２２に流入
して捕集された排気ガス中の微粒子は、この活性酸素放
出剤から放出される活性酸素と結合して輝炎を発するこ
となく瞬時に燃焼される。なお、このフィルタ２２に関
するより詳細な説明は、後述するフィルタの構造及び微
粒子の連続酸化処理に伴う説明においてさらに詳細に説
明する。

【００３８】また、フィルタ２２の一方の面と他方の面
とにそれぞれ接続される第１の排気通路７６及び第２の
排気通路７７は、その長さを互いに相違させて形成され
ている。具体的には、図３及び図４に示すように下流側
排気管７３と平行に設けられたフィルタ２２の排気上流
側に上流側排気管７０から分岐された第１の排気通路７
６が略直線的に接続され、上流側排気管７０から分岐さ
れた第２の排気通路７７はフィルタ２２の排気下流側か
ら周り込むように接続されている。

【００３９】なお、ここで排気上流側及び排気下流側と
は、上流側排気管７０に対する排気ガスの流れにおいて
の上流下流であって、フィルタ２２に対するものではな
い。すなわち、排気上流側とは図３において左方を示
す。また排気下流側とは図３において右方を示す。ま
た、以下の説明では、図３における左方をフィルタ２２
の前方と称し図３における右方をフィルタ２２の後方と
称す場合もある。

【００４０】このため各排気通路７６，７７の分岐点か
らフィルタ２２の排気上流側（前方）に対して略直線的
に配管される第１の排気通路７６に比べフィルタ２２の
排気下流側（後方）から周り込むように配管された第２
の排気通路７７は、フィルタ２２の後方に周り込む分だ
けその通路の長さが長く形成されることとなる。

【００４１】なお、実際には、車両搭載性の問題からへ
第２の排気通路７６が第１の排気通路７７に対して短く
形成されることもある。また、下流側排気管７３に対し
てフィルタ２２が斜めに交差して配置されることもあ
る。さらには、上流側排気管７０と隣接してフィルタ２
２が配置されるなど、フィルタ２２及びこのフィルタ２
２に接続する排気通路７６、７７の形状は、上記した例
にとどまらずフィルタ２２の一方の面又は他方の面に接
続される排気通路の長さが互いに異なっていれば、特に
排気通路の形状、フィルタの位置などは限定されない。

【００４２】また、各排気通路７６、７７の分岐点に
は、排気切換弁７１が設けられている。排気切換弁７１
は、第１の排気通路７６を選択してフィルタ２２の前方
側から排気ガスを流す第１の流れと、第２の排気通路７
７を選択してフィルタ２２の後方側から排気ガスを流す
第２の流れとを、交互に切り換えることができるように
構成されている。さらに、上流側排気管７０から流れ出
る排気ガスを前記第１の排気通路７６及び第２の排気通
路７７に流下させずに直に下流側排気管７３に導くこと
もできる。すなわち排気切換弁７１は四方弁である。

【００４３】図３を参照してより詳しく説明すると、排
気切換弁７１における弁体７１ａの傾き（位置）が図３
における破線の位置にある時、排気切換弁７１は上流側
排気管７０を第１の排気通路７６に接続すると同時に、
第２の排気通路７７を下流側排気管７３に接続する。こ
のため排気浄化装置内を流れる排気ガスは、上流側排気
管７０→第１の排気通路７６→フィルタ２２→第２の排
気通路７７→下流側排気管７３の順に流れる。以下、こ
の経路を経て流れる排気ガスの流れを順流方向の流れと
称す。また、この順流方向の流れを排気浄化装置内に形
成する弁体７１ａの位置を順流位置と称す。

【００４４】また、弁体７１ａが図３における実線の位
置にある場合には、上流側排気管７０を第２の排気通路
管７７に接続すると同時に、第１の排気通路７６を下流
側排気管７３に接続する。このため排気浄化装置内を流
れる排気ガスは、上流側排気管７０→第２の排気通路７
７→フィルタ２２→第１の排気通路７６→第２の排気通
路７３の順に流れる。以下、この排気ガスの流れを逆流
方向の流れと称す。また、この逆流方向の流れを排気浄
化装置内に形成する弁体７１ａの位置を逆流位置と称
す。

【００４５】さらに、弁体７１ａが図３において上流側
排気管７０の軸線と平行になる中間位置にある場合に
は、排気切換弁７１がバイパス状態となり、上流側排気
管７０と下流側排気管７３とを直に接続する。このた
め、排気浄化装置内を流れる排気ガスは、上流側排気管
７０からフィルタ２２を通過せずに下流側排気管７３に
流れる。以下、この流れをバイパス方向の流れと称す
る。また、このバイパス方向の流れを排気浄化装置内に
形成する弁体７１ａの位置を中間位置と称す。

【００４６】そして、排気切換弁７１に設けられる弁体
７１ａを交互に切り換えることによって、フィルタ２２
に流れ込む排気ガスはフィルタ２２の双方から流入す
る。このため、フィルタ２２の両面に微粒子が捕集され
単位面積あたりの微粒子の付着量は大幅に減少する。ま
た、フィルタ２２に捕集された微粒子は流入方向が変化
する排気ガスの流れによってフィルタ２２の基材内部を
活発に動き回ることとなり、微粒子の酸化が促進され
る。従って、より多くの微粒子を効率良く除去すること
ができる。

【００４７】より詳しくは、排気切換弁７１が切り換え
られると、フィルタ２２における上流側と下流側とが逆
転し、切り換え前にフィルタ２２の下流側であった部分
において微粒子が活性酸素放出剤６１の表面に付着す
る。そして、この付着した微粒子に対して活性酸素が放
出され、この活性酸素によって微粒子が酸化除去され
る。また、この放出される活性酸素の一部は、排気ガス
と共にフィルタ２２の下流側へ移動し、ここに堆積する
微粒子を酸化除去する。ここで微粒子はフィルタ２２の
両面で順流方向と逆流方向に撹乱され、フィルタ２２の
両面あるいは基材内部で動き回り、フィルタ２２を構成
する基材全体の活性点に出会い酸化される。このように
フィルタ２２における上流側と下流側とを逆転すること
により、フィルタ２２から微粒子を完全に酸化除去する
ことができる。

【００４８】また、フィルタ２２上に微粒子が堆積した
場合は、排気ガスの一部又は全体の空燃比を一時的にリ
ッチにすることにより、堆積した微粒子が輝炎を発する
ことなく酸化される。なお、排気ガスの空燃比がリッチ
になると、排気ガス中の酸素濃度が低下するため活性酸
素放出剤からその外部に活性酸素が一気に放出される。
そして、これら一気に放出された活性酸素によって堆積
した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で燃焼
除去せしめられる。

【００４９】なお、弁体７１ａは、通常、順流方向の流
れ又は逆流方向に流れを排気浄化装内に形成するように
固定されている。また、排気切換弁７１を切り換える時
期は、減速毎、所定時間毎、所定走行距離毎、さらには
フィルタ２２の目詰まり具合を監視してフィルタ２２が
目詰まりを起こしそうな状況下において、排気切換弁７
１を切り換えるなど、排気切換弁を切り換える時期は、
特に限定されない。

【００５０】なお、図５（Ａ）は、フィルタ２２に対し
て一方向からのみ排気ガスを流し込んだ場合のイメージ
図である。この図でも理解できるように、煤などの微粒
子はフィルタ２２の一方の面にのみ補集されて動くこと
はなく、これらフィルタ２２上に堆積した微粒子はフィ
ルタ２２の目詰まりを引き起こす。したがって、排気管
内の圧力上昇に伴う機関本体１の出力低下を招くと共
に、フィルタ２２における微粒子の浄化作用の妨げにも
なる。

【００５１】一方、図５（Ｂ）は、フィルタ２２に対し
てその双方向から排気ガスを流した場合のイメージ図で
ある。この図に示すように煤などの微粒子はフィルタ２
２の両面に補集されると共に、排気ガスの流入方向の変
化にともないフィルタ内で撹乱されるのでフィルタ２２
の両面あるいは基材内部で活発に動き回る。したがっ
て、フィルタ２２の全体を活性点として利用することが
でき、フィルタ２２における微粒子の酸化除去能力を高
めることができる。また、フィルタ２２上に堆積しよう
とする単位面積あたりの微粒子の量を減らすことがで
き、これらの相乗効果によりフィルタ２２の酸化除去能
力は大幅に高まることとなる。さらに、排気管内の圧力
上昇に伴う機関本体の出力低下を防止することもでき
る。

【００５２】なお、排気切換弁７１を駆動させるアクチ
ュエータ７２は、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３４上
に実現される制御手段７５によって駆動制御されるもの
で、出力ポート３６からの制御信号により駆動される。
アクチュエータ７２は、機関本体の駆動に伴い形成され
る負圧により駆動するもの、又はステップモータなどに
駆動されるものでもよく、このアクチュエータ７２によ
って駆動される弁体７１ａは、上記したように任意の開
度に固定することができる。

【００５３】続いて、微粒子を酸化さて除去可能な前記
フィルタ２２について図６を参照して詳細に説明する。
なお、図６はフィルタ２２の構造を示すであり、図６
（Ａ）はフィルタ２２の正面図を示す。また、図６
（Ｂ）はフィルタ２２の側部断面図を示している。ま
た、説明の都合上、図６（Ｂ）において左方を上流側と
し右方を下流側として説明する。

【００５４】＜フィルタの構造と微粒子の連続酸化処理
＞図６（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように本発明の排気
浄化装置に適用されるフィルタ２２はコージライトのよ
うな多孔質材料から形成されたハニカム形状をなし、互
いに平行をなして延びる複数個の流路５０，５１を具備
する。いわゆるウォールフロー型に形成されている。

【００５５】より具体的には、下流端が栓５２により閉
塞された排気ガス流入通路５０と、上流端が栓５３によ
り閉塞された排気ガス流出通路５１と、を有し、各排気
ガス流入通路５０及び排気ガス流出通路５１は薄肉の隔
壁５４を介して該フィルタ２２における縦方向及び横方
向に並んで配置されている。

【００５６】すなわち、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すよ
うに、排気ガス流入通路５０は４つの排気ガス流出通路
５１によって包囲されている。また、排気ガス流出通路
５１も４つの排気ガス流入通路５１によって包囲されて
いる。

【００５７】このため排気ガス流入通路５０側から排気
ガスが流れ込んだ場合には、図６（Ｂ）の矢印ａで示さ
れるように排気ガス流入通路５０→隔壁５４→排気ガス
流出通路５１の順に排気ガスが流下する。また、排気ガ
ス流出通路５１側から排気ガスが流れ込んだ場合には、
図６（Ｂ）の矢印ｂで示されるように排気ガス流出通路
５１→隔壁５４→排気ガス流入通路５０の順に排気ガス
が流下する。

【００５８】また、排気ガス流入通路５０及び排気ガス
流出通路５１の内壁面、すなわち各流路５０、５１をフ
ィルタ２２内に形成する隔壁５４の表面上及びその隔壁
５４に設けられる細孔の内壁面上には、アルミナ等によ
って形成される担体の層が設けられている。そして、こ
の担体上には貴金属触媒、および周囲に過剰酸素が存在
するとその酸素を取込んで酸素を保持すると共に周囲の
酸素濃度が低下するとその保持した酸素を活性酸素の形
で放出する活性酸素放出剤が担持されている。

【００５９】より具体的には、貴金属触媒として白金Ｐ
ｔが用いられている。また、活性酸素放出剤としては、
カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシムＣ
ｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢ
ａ、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くとも一つが用
いられている。

【００６０】より好ましくは、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を活性酸
素放出剤として用いるとよい。

【００６１】続いて、上記したフィルタ２２における排
気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金Ｐｔお
よびカリウムＫを担持させた場合を例にとって説明す
る。なお、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の微粒子除去作用
が行われる。

【００６２】まず、圧縮着火式内燃機関の運転時に生成
される生成物質に関し説明する。圧縮着火式内燃機関で
は空気過剰のもとで燃焼が行われており、排気ガスには
多量の過剰空気が含まれている。即ち、吸気通路から燃
焼室５に供給される空気と燃料との比を排気ガスの空燃
比と称すると、圧縮着火式内燃機関ではその空燃比がリ
ーンとなる。また、燃焼室５内では燃焼によりＮＯが生
成されるので排気ガスにはＮＯが含まれことになる。さ
らに、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウ
Ｓが燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ₂ になる。このた
めフィルタ２２には過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ₂ を含む
排気ガスが流れ込むことになる。

【００６３】また、上記した圧縮着火式内燃機関などで
は、特に噴射量を多く必要とする高負荷時などにおい
て、未燃焼の燃料が高温の燃焼火炎にさらされることに
よりその燃料中の炭素が遊離して煤（カーボンＣ）など
の微粒子を生成する。そして、この煤などの微粒子は、
排気ガスと共にフィルタ２２に流れ込む。

【００６４】図７（Ａ）及び（Ｂ）は、排気ガスの流路
５０、５１の内周面および隔壁５４内の細孔内壁面上に
形成された担体層の表面を示す拡大図であり、この担体
上で行われる酸化反応を模式化して示している。また、
図７（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を含む活性酸素放出剤を
示している。

【００６５】上記したように圧縮着火式内燃機関から排
出される排気ガスには、多量の過剰酸素が含まれてい
る。このため排気ガスがフィルタ２２内に流入すると図
７（Ａ）に示すようにこれら酸素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Ｎ
Ｏ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７
（Ａ）に示すように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で活性酸素放
出剤６１内に拡散する。そして、一部の硝酸イオンＮＯ
₃ ^-は硝酸カリウムＫＮＯ₃を生成する。

【００６６】一方、上記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と同様にメカニズ
ムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、
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。

【００６７】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Ｋ₂Ｓ
Ｏ₄が生成される。このように活性酸素放出触媒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。

【００６８】また、排気ガス中に含まれる煤などの微粒
子は、この微粒子を含む排気ガスがフィルタ２２を流下
する際に、図７（Ｂ）において６２で示されるように担
体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触
して付着する。

【００６９】このように活性酸素放出剤６１の表面上に
微粒子６２が付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６
１との接触面では酸素濃度が低下する。このため酸素濃
度が低下した接触面では酸素濃度の高い活性酸素放出剤
６１と酸素濃度に低い接触面との間で濃度差が生じ、活
性酸素放出剤６１内の酸素はこ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、この酸素Ｏは微粒子６２と活性酸素
放出剤６１との接触面に向かう。また、ＮＯが活性酸素
放出剤６１から外部に放出される。なお、外部に放出さ
れたＮＯは排気ガスの流れにのって再度、下流側の白金
Ｐｔに接触して酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に
吸収される。

【００７０】一方、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ＳＯ
₂とに分解され、この酸素Ｏは微粒子６２と活性酸素放
出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ₂は活性酸素放出剤
６１の外部に放出される。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、硝酸カリウムＫＮＯ₃に比べて、
活性酸素は放出しずらい状態にある。

【００７１】一方、微粒子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。この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。従って微粒
子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。このためこれら活性酸素Ｏが
微粒子６２に接触すると微粒子６２は短時間のうちに輝
炎を発することなく酸化され、微粒子６２は完全に消滅
する。したがって、微粒子６２はフィルタ２２上に堆積
することなく除去される。

【００７２】従来、パティキュレートフイルタ２２に付
着した微粒子が燃焼されるときには、フィルタが赤熱し
て微粒子が火炎を伴って燃焼していた。このような火炎
を伴う燃焼は高温でないと持続せず、したがって、従来
のフィルタのように火炎を伴う微粒子の燃焼を持続させ
るにはパティキュレートフィルタ２２の雰囲気温度を高
温に維持しなければならない。

【００７３】これに対して本発明では、上記したように
微粒子が輝炎を発することなく酸化され、パティキュレ
ートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。即ち、
本発明では従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子
６２を酸化除去せしめることができ、従来の輝炎を伴う
微粒子の酸化除去作用とは全く異なる微粒子の酸化除去
作用により微粒子を完全に除去することができる。

【００７４】また、本発明の排気浄化装置に採用される
フィルタ２２の微粒子除去作用は上記したようにかなり
の低温で行われている。したがって、フィルタ２２自体
の温度はさほど上昇せず、斯くしてフィルタ２２が劣化
する危険性はほとんどない。また、フィルタ２２上に
は、微粒子がほとんど堆積しないので微粒子の燃えカス
であるアッシュが凝集する危険性も少なくフィルタ２２
の目詰まりも防止することができる。

【００７５】ところで、フィルタ２２の目詰まりは主に
硫酸カルシウムＣａＳＯ₄によって引き起こされる。こ
の硫酸カルシウムＣａＳＯ₄は、燃料や潤滑油に含まれ
るカルシウムＣａがフィルタ２２に生成されたＳＯ₃と
反応して生成される。この硫酸カルシウムＣａＳＯ₄は
固体であって高温になっても熱分解しない。このため、
この硫酸カルシウムＣａＳＯ₄によってフィルタ２２の
細孔が閉塞されると目詰まりを引き起こす。

【００７６】しかしながら、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を用いると活
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を形成する。このためカル
シウムＣａはＳＯ₃と結合することはなく、フィルタ２
２の目詰まりの原因となる硫酸カルシウムＣａＳＯ₄の
生成を抑制することができる。なお、新たに生成された
硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄は硫酸カルシウムＣａＳＯ₄に比
べて分解されやすく、フィルタ２２の隔壁５４を通過し
てフィルタ２２外に排出される。

【００７７】この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を用いるとよい。

【００７８】ところで、白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤
６１はフィルタ２２の雰囲気温度が高くなるほど活性化
する。このため活性酸素放出剤６１が単位時間当りに放
出しうる活性酸素Ｏの量もフィルタ２２の温度上昇に伴
い増大しフィルタ２２における単位時間当りの酸化除去
可能な微粒子量は、フィルタ２２の温度上昇に比例して
増加する。

【００７９】以下、図９を参照してフィルタ２２の雰囲
気温度と酸化除去可能な微粒子量との関係をより詳細に
説明する。なお、図９の実線は単位時間当りに酸化除去
可能な微粒子量の最大値（しきい値）を示している。ま
た、図９において横軸はフィルタ２２の雰囲気温度ＴＦ
を示している。なお、単位時間当りに酸化除去可能な微
粒子の量は、図９において酸化除去可能微粒子量Ｇと称
す。

【００８０】単位時間当りに燃焼室５から排出される微
粒子の量を排出微粒子量Ｍと仮定すると、この排出微粒
子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ないとき、す
なわち図９における領域Ｉでは燃焼室５から排出された
全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２に接触す
るや否や瞬時にフィルタ２２上において輝炎を発するこ
となく酸化除去される。

【００８１】これに対し、排出微粒子量Ｍが酸化除去可
能微粒子量Ｇよりも多いとき、すなわち図９の領域ＩＩ
では、排出される全ての微粒子を完全に酸化除去するこ
とはできない。この理由としては、フィルタ２２におけ
る活性酸素の量が不足しているためである。

【００８２】すなわち、活性酸素量が不足している状態
において担体上に微粒子６２が付着した場合には、微粒
子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった
微粒子の未酸化部分は担体上に残留する（図８（Ａ）参
照）。次いでこの活性酸素量が不足している状態に次か
ら次へとあらたな微粒子が堆積してその結果図８（Ｂ）
に示すように担体層の表面上が残留微粒子部分６３によ
って覆われる。

【００８３】また、この担体層の表面を覆う残留微粒子
部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質する
ため、フィルタ２２上に残留しやすくなり白金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。その結果、図８
（Ｃ）に示されるように残留微粒子部分６３の上にさら
なる別の微粒子６４が次から次へと付着して、担体層の
表面上に微粒子が積層状に堆積する。

【００８４】このように燃焼されない微粒子が積層状に
堆積することによって、これらの微粒子と白金Ｐｔ及び
活性酸素放出剤６１との距離は遠くなり、たとえ酸化さ
れやすい微粒子であっても、もはや活性酸素Ｏによって
酸化されることは無くなる。このようにフィルタ２２の
雰囲気温度が低く且つフィルタ２２に付着する排出微粒
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
した場合では、フィルタ２２上に多量の微粒子が堆積す
ることとなる。

【００８５】このためフィルタ２２上に微粒子を堆積さ
せないようにするためには、酸化除去可能微粒子量Ｇと
排出微粒子量Ｍとの関係を領域Ｉの範囲に常時維持する
ことが望ましい。しかしながら、実際の運転状態下にお
いては種々の運転条件がかさなり合うため、酸化除去可
能微粒子量Ｇと排出微粒子量Ｍとの関係を図９に示す領
域Ｉに常に維持することはほとんど不可能である。

【００８６】特に、機関始動時などにはフィルタ２２の
雰囲気温度ＴＦが低く、フィルタ２２における酸化除去
可能微粒子量Ｇの値は極めて小さな値となる。このため
機関始動直後において走行した場合には、酸化除去可能
微粒子量Ｇを越える排出微粒子量Ｍがフィルタ２２に流
れ込むことになり、フィルタ２２によって酸化されない
微粒子はフィルタ２２上に堆積する。また、減速走行時
などにおいても機関本体から排出される排気ガスの温度
は低くなるため、酸化除去可能な微粒子量Ｇの値は一時
期小さくなる。このため減速走行後すぐに加速走行を行
った場合などには、酸化除去可能微粒子量Ｇを越える排
出微粒子量Ｍがフィルタに流れ込むことになり、フィル
タ２２上に微粒子が堆積する。

【００８７】このように実際の運転状況下、とりわけ、
フィルタ２２の雰囲気温度が低いときには、フィルタ２
２のの酸化除去能力はすぐに飽和状態となる。したがっ
て、上記したように排気切換弁７１の弁体７１ａを交互
に切り換えてフィルタ２２の双方から排気ガスを流入さ
せた場合においても、フィルタ２２に付着した微粒子を
完全に除去せしめることはできない場合も考えられる。

【００８８】よって、フィルタの酸化除去能力を越えな
いように排気浄化装置を適切に制御する必要がある。よ
り具体的には、フィルタ２２の雰囲気温度を極力低下さ
せないようにフィルタ２２を昇温させる昇温制御を行う
必要がある。そこで本発明の排気浄化装置においては、
フィルタ２２に対してその双方向から排気ガスを流入さ
せて微粒子の酸化除去能力を高めるにとどまらず、上記
した排気切換弁の切り換え動作に加えて、フィルタ２２
を昇温せしめる排気切換弁の切換制御（昇温制御）を付
加的に行っている。以下、図１０から図１５を参照して
このフィルタ２２の昇温制御について説明する。

【００８９】＜パティキュレートフィルタの昇温制御＞
本発明の排気浄化装置では、機関始動時又は減速走行時
などフィルタ２２の雰囲気温度が低く、且つフィルタ２
２における微粒子の酸化を促進させる必要がある時に、
フィルタ２２の雰囲気温度を上昇させるべく昇温制御を
行っている。具体的には、排気切換弁７１を適切に切り
換えることによりフィルタの雰囲気温度を高めている。
また、フィルタ２２の雰囲気温度が上昇するように排気
切換弁を切り換えると共に、このときフィルタ２２に流
入する排気ガスの流れに対してフィルタ２２を昇温せし
める燃料を供給している。

【００９０】＜実施例１＞まず、排気切換弁を適切に操
作してフィルタを昇温させる昇温制御について図１０及
び図１１を参照して説明する。図１０に示すようにフィ
ルタの昇温制御時においては、上流側排気管７０からフ
ィルタ２２に至る経路が短く形成された第１の排気通路
７６側を選択して排気ガスを流下させる。

【００９１】このように第１の排気通路を選択して排気
ガスを流下させるためには、排気切換弁７１に設けられ
る弁体７１ａを図１０に示すように順流位置にて固定す
るようにアクチュエータ７２を制御する。なお、このア
クチュエータ７２の制御に関する制御フローを図１１に
示す。

【００９２】まず、第１の行程として、フィルタ２２に
設けられたフィルタ温度検出センサ３９によってフィル
タ２２の雰囲気温度が所定値Ｔより高い温度にあるか否
かを判断する（ステップ１０１）。ここで所定値Ｔと
は、単に予め設定された固定値であってもよいが、好ま
しくは図９における領域Ｉの範囲においてフィルタ２２
による微粒子の酸化除去作用がなされるようにする。す
なわち所定値Ｔは可変値であることが望ましい。

【００９３】この所定値Ｔ（可変値）を設定するにあっ
ては、現在の運転状態における排出微粒子量Ｍを電子制
御ユニット内で算出し、さらに、この算出された排出微
粒子量Ｍとフィルタ温度検出センサ３９によって検出さ
れた現在のフィルタ２２の雰囲気温度と照らし合わせ、
フィルタ２２における酸化除去可能微粒子量Ｇが排出微
粒子量Ｍに対して十分に大きな値となるように目標雰囲
気温度を算出する。すなわち、この目標雰囲気温度が所
定値Ｔに相当する。

【００９４】なお、電子制御ユニット３０内のＲＯＭ
（リードオンリメモリ）上には予め各種運転状態におけ
る排出微粒子量Ｍを把握するためのマップが形成されて
おり、電子制御ユニット３０の入力ポート３５に入力さ
れる各種センサからの出力信号を受けて現在の運転状況
における排気微粒子量Ｍが算出される。また、図９に示
すようにフィルタ２２の雰囲気温度に基づき作成された
酸化除去可能微粒子量Ｇに対するマップも形成されてお
り、これらのマップを利用して適切な目標雰囲気温度が
定めている。

【００９５】そして、フィルタ２２の雰囲気温度が所定
値Ｔに満たない時には、アクチュエータ７２を駆動さ
せ、排気浄化装置内を流れる排気ガスが第１の排気通路
７６側に流下するよう排気切換弁７１における弁体７１
ａを順流位置にて固定する（ステップ１０２）。すなわ
ち、上流側排気管７０からフィルタ２２に至る経路が短
い第１の排気通路７６側を利用することにより、上流側
排気管７０からフィルタ２２に至る迄の熱損失を減ら
し、できるだけ高温に維持された排気ガスをフィルタ２
２に流下させている。よって上流側排気管７０からフィ
ルタ２２に至る経路が長い第２の排気通路７７側を選択
して排気ガスを流した場合に比べて、フィルタ２２をよ
り短時間に昇温させることができる。

【００９６】そして、フィルタ２２が所定値Ｔに達した
ことを受けて通常バルブ制御を行う（ステップ１０３、
ステップ１０４）。なお、ここで云う通常バルブ制御と
は、排気切換弁７１を交互に切り換え、フィルタ２２の
双方向から排気ガスを流し込む制御であり、上記したよ
うにフィルタ２２の両面に微粒子が捕集され単位面積あ
たりの微粒子の付着量を大幅に減少させると共に、この
フィルタ２２上に捕集された微粒子をその基材内部で撹
乱して微粒子の酸化除去能力を高める制御である。

【００９７】またなお、ステップ１０３において、フィ
ルタ２２の雰囲気温度が所定値Ｔに満たない時にはステ
ップ１０２を繰り返し、フィルタ２２の雰囲気温度が所
定値Ｔに到達するまで排気切換弁７１における弁体７１
ａを順流位置に固定し続ける。なお、ステップ１０１に
おいて、フィルタ２２の雰囲気温度が所定値Ｔ以上にあ
る時には、通常バルブ制御を行う（ステップ１０４）。

【００９８】このように機関始動時や減速走行時などフ
ィルタ２２の雰囲気温度が低く、且つフィルタ２２にお
ける微粒子の酸化を促進させる必要がある時には、フィ
ルタ２２に流れ込む排気ガスの温度が高い側の流れとな
る排気通路を選択して、フィルタ２２を速やかに昇温さ
せている。したがってフィルタ２２に流入する微粒子の
量に対して、フィルタ上において燃焼しうる微粒子の量
が多くなり、フィルタ上に微粒子が堆積する現象を抑制
することができる。

【００９９】＜実施例２＞続いて、フィルタ２２の雰囲
気温度が上昇するように排気切換弁７１を切り換えると
共に、このときフィルタ２２に流入する排気ガスの流れ
に対してフィルタ２２を昇温せしめる燃料を供給してフ
ィルタ２２の雰囲気温度をより早期に上昇させる昇温制
御について説明する。まず、この昇温制御を説明する前
に燃料供給手段を備えた本発明の排気浄化装置を説明す
る。なお、排気浄化装置自体は上記した例と同様である
ため、燃料供給手段について詳細に説明する。

【０１００】燃料供給手段は、上記した第１の排気通路
側７６に設けられこの第１の排気通路内に燃料を噴射す
る燃料噴射ノズル８０と、この燃料噴射ノズル８０に対
して燃料を供給する燃料パイプ８１と、燃料パイプ８１
に燃料を供給する排気浄化装置用燃料ポンプ８２などに
よって構成されている。燃料噴射ノズル８０は電子制御
ユニット３０に設けれる出力ポート３８を介して電子制
御ユニット３０に接続されており、電子制御ユニット３
０からの指令に基づき所定量の燃料を第１の排気通路７
６内に供給する。また、燃料噴射ノズル８０に燃料を供
給する燃料パイプ８１は、排気浄化装置用燃料ポンプ８
２に連結され燃料噴射ノズル８０に供給される燃料は、
この排気浄化装置用燃料ポンプ８２を介して補充され
る。なお、燃料パイプ８１は機関本体に設けられるコモ
ンレール２７に接続していてもよい。

【０１０１】この燃料供給手段を備えた本発明の排気浄
化装置における昇温制御を概略的に説明すると、上流側
排気管７０からフィルタ２２に至る経路が短い第１の排
気通路を選択してフィルタ２２に排気ガスを流下させる
と共に、その第１の排気通路７６内を流れる排気ガスに
対して燃料を供給しこの排気ガス中に供給された燃料を
フィルタ２２上で反応させて、その反応熱によってフィ
ルタ２２の雰囲気温度を上昇させている。この昇温制御
に係る制御フローを図１３に示す。

【０１０２】まず、第１の行程としてフィルタ２２に設
けられたフィルタ温度検出センサ３９によってフィルタ
２２の雰囲気温度が所定値Ｔより高い温度にあるか否か
を判断する（ステップ２０１）。なお、ここでの所定値
Ｔも実施例１に示すように、単に予め設定された固定値
であってもよいが、好ましくは図９における領域Ｉの範
囲においてフィルタ２２による微粒子の酸化除去作用が
なさるようにする可変値であることが望ましい。

【０１０３】そして、フィルタ２２の雰囲気温度が所定
値Ｔに満たない時には、アクチュエータ７２を駆動さ
せ、排気ガスが第１の排気通路７６側に流下するよう排
気切換弁７１における弁体７１ａを順流位置にて固定す
る（ステップ２０２）。すなわち、実施例１と同様に上
流側排気管７０からフィルタ２２に至る経路が短い第１
の排気通路７６側に排気ガスを導くことで、フィルタ２
２に対して流入する排気ガスの熱損失を減少させて、そ
の高温を維持された排気ガスをフィルタ２２に流し込
む。なお、ステップ２０１において、フィルタ２２の雰
囲気温度が所定値Ｔ以上にある時には、通常バルブ制御
（ステップ２０５）を行う。

【０１０４】続いて、上記したようにこの第１の排気通
路７６内を流下する排気ガスに対して、前記第１の排気
通路に設けられた燃料添加ノズルから燃料を添加する
（ステップ２０３）。このステップ２０３において第１
の排気通路７６に供給された燃料は、この第１の排気通
路内を流れる排気ガスと共にフィルタ２２に流下して、
そのフィルタ２２の担体層に担持された貴金属触媒及び
活性酸素放出剤と反応（酸化）して反応熱を放出する。
このためこの反応熱によってフィルタ２２の雰囲気温度
が急速に上昇する。すなわち、実施例２においては、フ
ィルタ２２に流れ込む排気ガスの温度が高く維持された
排気ガスの流れに対して、フィルタ２２の雰囲気温度を
さらに高める燃料を供給している。

【０１０５】そして、フィルタ２２が所定値Ｔに達した
ことを受けて通常バルブ制御を行う（ステップ２０４、
ステップ２０５）。なお、ステップ２０４において、フ
ィルタ２２の雰囲気温度が所定値Ｔに満たない時にはス
テップ２０２およびステップ２０３を繰り返し、フィル
タ２２の雰囲気温度が所定値Ｔに到達するまで排気切換
弁７１における弁体７１ａを順流位置に固定し続けると
共にフィルタ２２に対して燃料の添加を継続して行う。

【０１０６】このように本実施例では、上流側排気管７
０からフィルタ２２に至る経路が短い第１の排気通路７
６を選択すると共に、その第１の排気通路７６内を流れ
る高温に維持された排気ガス中にフィルタ２２を昇温せ
しめる燃料供給を行うため、これらの相乗効果により、
より短時間でファイルタの雰囲気温度を上昇させること
ができる。よって、フィルタ２２に流入する微粒子の量
に対して、フィルタ２２上において燃焼しうる微粒子の
量が多くなりフィルタ２２上に微粒子が堆積する現象を
抑制することができる。

【０１０７】なお、上記した実施例２では弁体７１ａを
順流位置に固定した状態において、燃料供給を行ってい
るが、排気浄化装置内における排気ガスの流れがバイパ
ス方向の流れにある時に、第１の排気通路７６に燃料供
給を行っても良い。以下、図１４および図１５を参照し
てこの昇温制御を説明する。

【０１０８】＜実施例３＞本実施例では、排気切換弁に
おける弁体７１ａの固定位置を中間位置に切り換えると
共に、上流側排気管７０からフィルタ２２に至る経路が
短い第１の排気通路７６に対して燃料添加を行ってい
る。

【０１０９】なお、この実施例３に示す昇温制御は、減
速時などの燃焼室５内に燃料が供給されないフューエル
カット制御時などに行うのがより効果的である。すなわ
ち、機関本体におけるフューエルカット制御時などに
は、燃焼室５内に対して燃料が供給されないため機関本
体から排出される排気ガス中には煤などの微粒子はほと
んど含まれていない。しかしながら、そのフューエルカ
ット時に排出される排気ガスは燃焼を伴わない冷えたガ
ス（空気）であるため、フィルタ２２の雰囲気温度を低
下させる要因となる。よって、この間にフィルタ２２に
奪われるフィルタ２２の熱量を昇温制御にて補ってい
る。この昇温制御に係る制御フローを図１５に示す。

【０１１０】まず、第１の行程としてフィルタ２２に設
けられたフィルタ温度検出センサ３９によってフィルタ
２２の雰囲気温度が所定値Ｔより高い温度にあるか否か
を判断する（ステップ３０１）。なお、ここでの所定値
Ｔも実施例１および実施例２に示すように、単に予め設
定された固定値であってもよいが、好ましくは図９にお
ける領域Ｉの範囲においてフィルタ２２による微粒子の
酸化除去作用がなさるようにする可変値であることが望
ましい。

【０１１１】そして、フィルタ２２の雰囲気温度が所定
値Ｔに満たない時には、アクチュエータ７２を駆動さ
せ、排気浄化装置内を流れる排気ガスが下流側排気管７
３に直に流れるように排気切換弁における弁体７１ａの
位置を中間位置にて固定する（ステップ３０２）。な
お、ここで中間位置に固定される弁体７１ａは、若干順
流位置となる方向に傾斜しており、排気切換弁７１を通
過する排気ガスの一部は、実施例１と同様に上流側排気
管７０からフィルタ２２にかけての経路が短い第１の排
気通路側に導かれる。すなわち、空間速度（ＳＶ値）の
小さい排気ガスの流れが第１の排気通路の入り口（分岐
点）から第２の排気通路ので出口（分岐点）にかけて形
成される。なお、以下の説明においては、上記した弁体
７１ａの固定位置を中間傾斜位置と称す。

【０１１２】また、排気切換弁における弁体７１ａの位
置が中間傾斜位置に固定されたことを受けて、第１の排
気通路に設けられた燃料噴射ノズル８０から第１の排気
通路７６内に燃料を添加する（ステップ３０３）。

【０１１３】このステップ３０３において第１の排気通
路７６に供給された燃料は、空間速度（ＳＶ）の低い排
気ガスの流れにのってフィルタ２２に流下する。そし
て、フィルタ２２の担体層に担持された貴金属触媒及び
活性酸素放出剤と反応して、その反応時に放出される反
応熱によりフィルタ２２の雰囲気温度が上昇する。

【０１１４】なお、この場合、空間速度（ＳＶ値）の低
い排気ガス流にのってフィルタ２２に燃料が供給される
ため、フィルタ２２上においてより確実に燃料が酸化さ
れフィルタ２２がさらに短時間にて昇温する。また、フ
ィルタ２２を通過する排気ガスの空間速度（ＳＶ値）も
低くなるため、燃料の酸化により放出される反応熱は効
率よくフィルタ２２に伝導される。したがって、これら
の相乗効果により、より短時間に且つ確実にフィルタ２
２を昇温せしめることができる。

【０１１５】そして、フィルタ２２が所定値Ｔに達した
ことを受けて通常バルブ制御を行う（ステップ３０４、
ステップ３０５）。なお、ステップ３０４において、フ
ィルタ２２の雰囲気温度が所定値Ｔに満たない時にはス
テップ３０２およびステップ３０３を繰り返し、フィル
タ２２の雰囲気温度が所定値Ｔに到達するまで排気切換
弁における弁体７１ａの位置を中間傾斜位置に固定し続
けると共にフィルタ２２に対して燃料の添加を継続して
行う。

【０１１６】このように本実施例では、上流側排気管７
０から下流側排気管７３にかけて排気ガスを直に流すバ
イパス方向の流れにおいて、フィルタ２２に対して順流
方向における空間速度の低い流れを形成しつつ、その上
流側、すなわち第１の排気通路に対して燃料の供給を行
う。このため排気浄化装置内を流れる排気ガスの流れが
バイパス方向の流れにおいても、フィルタ２２の雰囲気
温度の低下を抑制することができる。よって、この状態
から通常バルブ制御に戻った直後においても、フィルタ
２２の雰囲気温度は高く保たれているためフィルタ２２
上に微粒子が堆積する現象を抑制することができる。

【０１１７】なお、ステップ３０１においては、フィル
タ２２の温度が所定値Ｔ以上にあるか否かを判断して昇
温制御を行っているが、例えば、単に機関本体における
運転状態が減速走行状態などのフューエルカット制御に
なることを受けて、昇温制御を行うようにしてもよい。

【０１１８】本実施の形態では、圧縮着火式内燃機関、
すなわちディーゼル機関に本発明の排気浄化装置を取り
付けた例に基づいて説明したが、勿論、煤などの微粒子
を排出する火花点火式内燃機関にも本発明は採用するこ
とができる。

【０１１９】

【発明の効果】本発明では、フィルタに対してその双方
から排気ガスが流入するため、フィルタの両面に微粒子
が捕集され単位面積あたりの微粒子の付着量が大幅に減
少する。また、フィルタに捕集された微粒子は、流入方
向が変化する排気ガスの流れによってフィルタの基材内
部を活発に動き回ることとなり、微粒子の酸化が促進さ
れる。これらの相乗効果により、より多くの微粒子を効
率良く除去することができる。

【０１２０】さらに、フィルタの温度が低く微粒子の酸
化を促進させる必要があるときには、上流側排気管から
フィルタに至る経路が短い流路を選択して排気ガスを流
すため、フィルタに対して高温に維持された排気ガスを
流下させることができる。このためフィルタは速やかに
昇温されてフィルタにおける微粒子の酸化除去能力を高
めることができる。

【０１２１】また、本発明では、上流側排気管からフィ
ルタにかけての経路が短い流路を選択してフィルタに排
気ガスを流下させると共に、この流路に対してフィルタ
の雰囲気温度を昇温せしめる燃料添加を行うため、これ
らの相乗効果により、より短時間にフィルタの雰囲気温
度を昇温せしめることができる。

【０１２２】また、排気ガスの流れがバイパス方向の流
れである時にも、フィルタに対して空間速度（ＳＶ値）
の低い排気ガスの流れを作りだすと共に、その流れにお
いてフィルタの上流側となる排気通路に上流側排気管か
らフィルタに至る経路が短い流路を選択しその流路に燃
料供給を行うため、バイパス方向の流れ時におけるフィ
ルタの温度低下を抑制することができる。

【０１２３】このように本発明の排気浄化装置では、パ
ティキュレートフィルタに捕集された微粒子をより確実
に且つ連続的に燃焼せしめると共に、パティキュレート
フィルタにおける微粒子の酸化除去能力を高める必要が
あるときには、パティキュレートフィルタを速やかに昇
温させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の全体図

【図２】機関の要求トルクを示す図

【図３】排気浄化装置を示す上面図

【図４】排気浄化装置を示す正面図

【図５】（Ａ）はフィルタ基材に微粒子が堆積する状態
を示すイメージ図、（Ｂ）は排気ガスの順流、逆流によ
る微粒子の撹乱状態を示すイメージ図

【図６】パティキュレートフィルタを示す図

【図７】微粒子の酸化作用を示す概念図

【図８】微粒子の堆積作用を示す概念図

【図９】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

【図１０】実施例１に係る排気浄化装置の昇温制御時に
おける排気ガスの流れを示す図。

【図１１】実施例１に係る排気浄化装置の昇温制御を示
すフローチャート。

【図１２】実施例２に係る排気浄化装置の昇温制御時に
おける排気ガスの流れを示す図。

【図１３】実施例２に係る排気浄化装置の昇温制御を示
すフローチャート。

【図１４】実施例３に係る排気浄化装置の昇温制御にお
ける排気ガスの流れを示す図。

【図１５】実施例３に係る排気浄化装置の昇温制御を示
すフローチャート。

【符号の説明】

２２パティキュレートフィルタ７０上流側排気管７１排気切換弁７１ａ弁体７２アクチュエータ７３下流側排気管７６第１の排気通路７７第２の排気通路８０燃料噴射ノズル８１燃料パイプ８２排気浄化装置用燃料ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｂ０１Ｄ 53/94 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０３Ｃ (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 (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)発明者中谷好一郎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)発明者木村光壱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 AA03 BA01 CA01 CB01 CB02 CB24 DA12 DA18 DA20 EA05 EA06 EA07 4D048 AA14 AB01 AB03 BA14Y BA18Y BA30Y BA46Y BB02 CA01 CC25 CC38 CC52 CD05 DA01 DA02 DA06 DA20 EA04 4D058 NA10 QA11 SA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気ガス中の微粒子の酸化を促進する活性
酸素放出剤が担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕
獲可能なフィルタと、前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと
フィルタの他方側から排気ガスを流す第２の流れとを交
互に切換える排気切換手段と、を備え、前記第１の流れを使用した場合と第２の流れを使用した
場合とで前記フィルタに流入する排気ガスの温度が異な
るように構成され、前記フィルタの温度が低く微粒子の酸化を促進させる必
要があるときに、前記第１の流れ及び第２の流れのうち
前記フィルタに流入する排気ガスの温度が高い側の流れ
を選択する制御手段を有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】前記フィルタに流入する排気ガスの温度が
高い側の流れの途中に、前記フィルタを昇温せしめる燃
料を供給する燃料供給手段を備え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。
【請求項３】前記排気切換手段から前記フィルタに至る
前記第１の流れを形成する第１の排気通路と、前記排気
切換手段から前記フィルタに至る前記第２の流れを形成
する第２の排気通路と、を備え、前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とではその長
さが互いに異なり、前記フィルタの温度が低く微粒子の
酸化を促進させる必要があるときに、前記制御手段は、
前記排気切換手段によって前記第１の排気通路及び前記
第２の排気通路のうち長さが短い方の排気通路を選択し
て前記フィルタに排気ガスを流入させることを特徴とす
る請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記フィルタに流入する排気ガスの温度が
高い側の流れを選択したときに、その流れにおけるＳＶ
値を低下せしめるように前記排気切換手段を制御すると
共に、このＳＶ値の小さい流れの途中に前記燃料供給手
段を備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに
記載の内燃機関の排気浄化装置。