JP2004028004A

JP2004028004A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004028004A
Application number: JP2002187700A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanno; 丹野　史朗; Takashi Yamamoto; 山本　崇
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP4178851B2

Abstract

【課題】リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_Ｘ触媒を通らずに排気浄化装置下流へと流出することを抑制する。
【解決手段】流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯ_Ｘを還元剤によって還元浄化することができるＮＯ_Ｘ触媒３２を具備する。所定条件が成立したときにリッチ化手段１９を作動することによってＮＯ_Ｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとする。排気ガスを順流モードと逆流モードとの間でＮＯ_Ｘ触媒への排気ガスの流入モードを切り換えるための切換手段２６を具備する。リッチ化手段の作動中は切換手段による流入モードの切換を禁止すると共に、リッチ化手段の作動停止後においても予め定められた切換禁止期間に亘って切換手段による流入モードの切換を禁止する。
【選択図】　　　図１

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】
内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中の微粒子を捕集し、この捕集した微粒子を酸化除去することができるパティキュレートフィルタ（以下、フィルタと称す）を備えた排気浄化装置が、特開２００１−３４２８２１号公報に開示されている。当該公報に記載の排気浄化装置では、排気ガスを一方の側からフィルタに流入させたり、その反対側からフィルタに流入させたりすることができる。すなわち、フィルタに流入する排気ガスの向きを逆転することができる。
【０００３】
そして、フィルタに流入する排気ガスの向きを逆転することによってフィルタ内に捕集されている微粒子がフィルタ内にて流動し、フィルタにおける微粒子の酸化作用が促進されることから、上記公報に記載の排気浄化装置では、フィルタにおける微粒子の酸化作用を促進すべき条件が成立したときに、フィルタに流入する排気ガスの向きを逆転するようにしている。
【０００４】
ところで、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を保持し、流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯ_Ｘを還元剤によって還元浄化することができるＮＯ_Ｘ触媒を内燃機関の排気通路に備えた排気浄化装置も公知である。こうした排気浄化装置では、ＮＯ_Ｘ触媒が保持することができるＮＯ_Ｘの量には限界があり、ＮＯ_Ｘ触媒が保持しているＮＯ_Ｘの量（以下、ＮＯ_Ｘ保持量と称す）がその上限値に達してしまうと、もはや、ＮＯ_Ｘ触媒は排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持することができず、ＮＯ_Ｘは排気浄化装置下流へと流出してしまう。
【０００５】
そこで、こうした排気浄化装置では、ＮＯ_Ｘが排気浄化装置下流へと流出することを抑制するために、ＮＯ_Ｘ触媒のＮＯ_Ｘ保持量がその上限値に達する前に、ＮＯ_Ｘ触媒にリッチ空燃比の排気ガスを供給して、ＮＯ_Ｘ触媒に保持されているＮＯ_Ｘを還元浄化するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記公報に記載のフィルタにこのＮＯ_Ｘ触媒を担持させた場合において、ＮＯ_Ｘ触媒（すなわち、フィルタ）に流入する排気ガスの向きを変えるべき条件と、ＮＯ_Ｘ触媒（すなわち、フィルタ）にリッチ空燃比の排気ガスを供給すべき条件とが同時に成立してしまうことがある。この場合、流入する排気ガスの向きが切り換えられたときに、リッチ空燃比の排気ガスの一部がＮＯ_Ｘ触媒（すなわち、フィルタ）を通らずに、そのまま排気浄化装置下流へと流出してしまうという問題がある。
【０００７】
こうした問題は、一般的に、上述したようなＮＯ_Ｘ触媒を排気通路に具備し、ＮＯ_Ｘ触媒へ流入する排気ガスの向きを逆転することができ、そして、ＮＯ_Ｘ触媒にリッチ空燃比の排気ガスを供給すべき条件とＮＯ_Ｘ触媒へ流入する排気ガスの向きを逆転すべき条件とが同時に成立してしまうような排気浄化装置にも、等しく生じる問題である。そこで、本発明の目的は、このような排気浄化装置において、リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_Ｘ触媒を通らずに排気浄化装置下流へと流出することを抑制することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するためのＮＯ_Ｘ触媒を排気通路に具備し、該ＮＯ_Ｘ触媒がそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持し、一方、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯ_Ｘを還元剤によって還元浄化することができ、さらに、排気ガスの空燃比をリッチとするためのリッチ化手段を具備し、所定条件が成立したときに該リッチ化手段を作動することによってＮＯ_Ｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするようにした排気浄化装置において、排気ガスを一方の側からＮＯ_Ｘ触媒に流入させる順流モードと排気ガスを他方の側からＮＯ_Ｘ触媒に流入させる逆流モードとの間でＮＯ_Ｘ触媒への排気ガスの流入モードを切り換えるための切換手段を具備し、上記リッチ化手段の作動中は該切換手段による流入モードの切換を禁止すると共に、上記リッチ化手段の作動停止後においても予め定められた切換禁止期間に亘って切換手段による流入モードの切換を禁止するようにした。ここで、リッチ化手段、所定条件、および、切換手段は、後述する実施形態において、それぞれ、燃料添加弁や燃料噴射弁、リッチ要求条件、および、切換弁に相当する。
【０００９】
上記課題を解決するために、２番目の発明では、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するためのＮＯ_Ｘ触媒を排気通路に具備し、該ＮＯ_Ｘ触媒がそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持し、一方、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯ_Ｘを還元剤によって還元浄化することができ、さらに、排気ガスの空燃比をリッチとするためのリッチ化手段を具備し、所定条件が成立したときに該リッチ化手段を作動することによってＮＯ_Ｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするようにした排気浄化装置において、ＮＯ_Ｘ触媒をバイパスするようにＮＯ_Ｘ触媒上流の排気通路からＮＯ_Ｘ触媒下流の排気通路へと延びるバイパス通路と、排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒に流入させる流入モードと排気ガスをバイパス通路に流入させる流入モードとの間で排気ガスの流入モードを切り換えるための切換手段とを具備し、上記リッチ化手段の作動中は該切換手段による流入モードの切換を禁止すると共に、上記リッチ化手段の作動停止後においても予め定められた切換禁止期間に亘って切換手段による流入モードの切換を禁止するようにした。ここで、リッチ化手段、所定条件、および、切換手段は、後述する実施形態において、それぞれ、燃料添加弁や燃料噴射弁、バイパス可能条件、および、切換弁に相当する。
【００１０】
３番目の発明では、１または２番目の発明において、上記リッチ化手段の作動が停止されてからリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒を通過するまでの排気ガス通過完了期間が上記切換禁止期間として設定されている。
【００１１】
４番目の発明では、３番目の発明において、上記排気ガス通過完了期間が機関要求負荷と機関回転数との少なくとも１つに基づいて算出される。
【００１２】
５番目の発明では、３番目の発明において、内燃機関が複数の種類の燃焼モードでもって燃料を燃焼室内にて燃焼させることができ、上記排気ガス通過完了期間が上記燃焼モード毎に機関要求負荷と機関回転数との少なくとも１つに基づいて算出される。
【００１３】
６番目の発明では、３番目の発明において、上記排気ガス通過完了期間が排気ガスの温度、排気ガスの流量、および、排気ガスの圧力の少なくとも１つに基づいて算出される。
【００１４】
７番目の発明では、３番目の発明において、排気ガスの空燃比を検出することができる空燃比センサがＮＯ_Ｘ触媒下流に配置され、リッチ化手段の作動停止後において該空燃比センサによって排気ガスの空燃比がリッチでなくなったことが検出されたことをもってリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒を通過したと判断される。
【００１５】
８番目の発明では、３番目の発明において、排気ガスの空燃比を検出することができる空燃比センサがＮＯ_Ｘ触媒上流とＮＯ_Ｘ触媒下流とに配置され、リッチ化手段の作動停止後においてＮＯ_Ｘ触媒下流の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比がリッチでなくなってから該ＮＯ_Ｘ触媒下流の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比が上記ＮＯ_Ｘ触媒上流の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比と略等しくなったことをもってリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒を通過したと判断される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関を示している。図１に示されている内燃機関は圧縮着火式の内燃機関である。図１において、１は機関本体、２は燃焼室、３は燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを示している。燃料噴射弁３は燃料タンク（図示せず）からの燃料を一時的に溜めておくためのリザーバ（いわゆるコモンレール）６に接続されている。
【００１７】
また、吸気マニホルド４は吸気管７を介して排気ターボチャージャ８のコンプレッサ９の出口部に接続されている。吸気管７には、燃焼室２に吸入される空気を冷却するためのインタークーラ１０が取り付けられている。また、インタークーラ１０下流の吸気管７内には、燃焼室２に吸入される空気の量を制御するために電動モータ（図示せず）によって駆動されるスロットル弁１１が配置されている。また、コンプレッサ９の入口部にも吸気管１２が取り付けられている。吸気管１２には、燃焼室２内に吸入される空気の量を計量するためのエアフローメータ１３が取り付けられている。
【００１８】
一方、排気マニホルド５は排気管１４を介して排気ターボチャージャ８のタービン１５の入口部に接続されている。排気管１４には、排気ガスの空燃比を検出するための上流側空燃比センサ１６が取り付けられている。この上流側空燃比センサ１６によって検出される排気ガスの空燃比とは、燃焼室内に吸入された空気の量に対する燃焼室内に噴射された燃料の量の比である。
【００１９】
また、タービン１５の出口部にも排気管１７が取り付けられている。排気管１７は排気浄化装置１８の入口部に接続されている。また、排気管１７には、そこに燃料を噴射するための燃料添加弁１９が取り付けられている。また、排気管１７には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ２０と、排気ガスの圧力を検出するための圧力センサ２１とが取り付けられている。また、排気浄化装置１８の出口部にも排気管２２が取り付けられている。この排気管２２にも、排気ガスの空燃比を検出するための下流側空燃比センサ２３が取り付けられている。この下流側空燃比センサ２３によって検出される排気ガスの空燃比とは、燃焼室内に吸入された空気の量に対する燃焼室内に噴射された燃料の量と燃料添加弁１９から噴射された燃料の量との総量の比である。
【００２０】
排気浄化装置１８は、その入口部からループ状をなして当該入口部に戻る排気管２４と、その入口部から下流へと延びる排気管（バイパス通路）２５とを具備する。ループ状をなす排気管２４内には、排気ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するためのＮＯ_Ｘ触媒３２が配置されている。ＮＯ_Ｘ触媒３２は、そこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには、排気ガス中のＮＯ_Ｘを吸収することによって、或いは、吸着させることによって保持する。一方、ＮＯ_Ｘ触媒３２は、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると、保持しているＮＯ_Ｘを排気ガス中の還元剤、具体的には、炭化水素（燃料）によって還元浄化する。
【００２１】
また、排気浄化装置１８はその入口部に切換弁２６を有する。図２（Ａ）に示されているように、切換弁２６が第１の位置に位置決めされているときには、入口部に流入した排気ガスは一方の側からＮＯ_Ｘ触媒３２に流入せしめられる。一方、図２（Ｂ）に示されているように、切換弁２６が第２の位置に位置決めされているときには、入口部に流入した排気ガスはＮＯ_Ｘ触媒３２には流入せずに、そのまま、排気浄化装置１８下流へと流出する。さらに、図２（Ｃ）に示されているように、切換弁２６が第３の位置に位置決めされているときには、入口部に流入した排気ガスは他方の側からＮＯ_Ｘ触媒３２に流入せしめられる。
【００２２】
このように、切換弁２６の位置決め位置を切り換えることによって、排気ガスを一方の側からＮＯ_Ｘ触媒３２に流入させたり、或いは、排気ガスを他方の側からＮＯ_Ｘ触媒３２に流入させたり、或いは、排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒３２に流入させずにそのまま排気浄化装置１８下流へと流出させたりすることができる。すなわち、上述した３つの位置の間で切換弁２６の位置決め位置を切り換えることによって、ＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードを切り換えることができる。
【００２３】
なお、以下、切換弁２６が図２（Ａ）に示されている位置に位置決めされているときのＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードを順流モードと称し、切換弁２６が図２（Ｃ）に示されている位置に位置決めされているときのＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードを逆流モードと称す。また、切換弁２６が図２（Ｂ）に示されている位置に位置決めされているときの排気管２５への排気ガスの流入モードをバイパスモードと称す。
【００２４】
また、燃焼室２から排出された排気ガスを再び燃焼室２に循環させるための排気循環（ＥＧＲ）通路２７が、排気マニホルド５から吸気マニホルド４まで延びる。ＥＧＲ通路２７には、燃焼室２に導入される排気ガスの量を制御するためのＥＧＲ制御弁２８が取り付けられている。また、ＥＧＲ通路２７には、排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２９も取り付けられている。さらに、ＥＧＲクーラ２９上流のＥＧＲ通路２７内には、酸化触媒３０が配置されている。この酸化触媒３０は、ＥＧＲクーラ２９や燃焼室２に導入される排気ガス中の燃料（炭化水素）を酸化除去する機能を果たす。
【００２５】
ところで、圧縮着火式の内燃機関では、通常、空気過剰の下で燃料の燃焼が行われることから、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比は、通常、リーンである。また、燃焼室２内では、通常、ＮＯ_Ｘが発生することから、燃焼室２から排出される排気ガス中には、通常、ＮＯ_Ｘが含まれている。したがって、ＮＯ_Ｘ触媒３２には、通常、リーン空燃比であってＮＯ_Ｘを含んだ排気ガスが流入することになる。上述したように、リーン空燃比の排気ガスがＮＯ_Ｘ触媒３２に流入しているときにはＮＯ_Ｘ触媒３２は排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持するので、通常、ＮＯ_Ｘ触媒３２に保持されているＮＯ_Ｘの量は増え続ける。
【００２６】
ところが、ＮＯ_Ｘ触媒３２が保持可能なＮＯ_Ｘの量には限界があるので、ＮＯ_Ｘ触媒３２が保持しているＮＯ_Ｘの量（以下、ＮＯ_Ｘ保持量と称す）がその上限値に達してしまうと、もはや、ＮＯ_Ｘ触媒３２は排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持することができず、ＮＯ_Ｘは排気浄化装置１８下流へと流出してしまう。
【００２７】
そこで、第１実施形態では、ＮＯ_Ｘが排気浄化装置１８下流へと流出することを抑制するために、ＮＯ_Ｘ触媒３２のＮＯ_Ｘ保持量がその上限値に達する前に、燃料添加弁１９から燃料を噴射して排気ガスの空燃比をリッチとするようにしている。詳細には、第１実施形態では、ＮＯ_Ｘ触媒３２のＮＯ_Ｘ保持量がその上限値よりも小さいがその上限値に近い値を超えたという特定の条件（以下、リッチ要求条件と称す）が成立したときに、燃料添加弁１９から燃料を噴射して排気ガスの空燃比をリッチとする。これによれば、ＮＯ_Ｘ触媒３２にリッチ空燃比の排気ガスが流入するので、ＮＯ_Ｘ触媒３２に保持されているＮＯ_Ｘが排気ガス中の還元剤、具体的には、燃料（炭化水素）や一酸化炭素によって還元浄化され、ＮＯ_Ｘ触媒３２のＮＯ_Ｘ保持量が少なくなる。したがって、その後、排気ガス中のＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ触媒３２に保持されることとなる。
【００２８】
もちろん、このように燃料添加弁１９から燃料が噴射されるときには、切換弁２６は図２（Ａ）に示されている第１の位置、または、図２（Ｃ）に示されている第２の位置に位置決めされている。
【００２９】
ところで、圧縮着火式の内燃機関では、通常、主にカーボンからなる微粒子が生成される。したがって、通常、排気ガス中には微粒子が含まれている。第１実施形態のＮＯ_Ｘ触媒３２はこうした微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタにもなっている。すなわち、第１実施形態では、ＮＯ_Ｘ触媒３２はパティキュレートフィルタに担持されていることとなる。このパティキュレートフィルタの構造を図３に示した。以下の説明では、ＮＯ_Ｘ触媒とパティキュレートフィルタに参照符号２５を付す。
【００３０】
図３（Ａ）はパティキュレートフィルタの端面図であり、図３（Ｂ）はパティキュレートフィルタの縦断面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示したように、パティキュレートフィルタ（以下、フィルタと称す）３２はハニカム構造をなす隔壁５４を具備する。これら隔壁５４によって互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１が形成される。これら排気流通路のうち略半数の排気流通路５０がその下流端開口を栓５２で閉鎖されている。以下、これら排気流通路５０を排気ガス流入通路と称す。一方、残りの半数の排気流通路５１はその上流端開口を栓５３で閉鎖されている。以下、これら排気流通路５１を排気流出通路５１と称す。排気ガス流入通路５０には４つの排気ガス流出通路５１が隣接する。一方、排気ガス流出通路５１には４つの排気ガス流入通路５０が隣接する。
【００３１】
排気ガスは排気ガス流入通路５０に流入する。隔壁５４はコージェライトのような多孔質材料からなるので、図３（Ｂ）において矢印で示したように、排気ガス流入通路５０内の排気ガスは、隔壁５４の細孔を通って、隣接する排気ガス流出通路５１内に流れ込む。このように排気ガスがフィルタ３２内を流れる間に、隔壁の表壁面や細孔を画成する隔壁の壁面上に微粒子が捕集される。
【００３２】
ところで、フィルタ３２が捕集可能な微粒子の量には限界があるので、フィルタ３２が捕集している微粒子の量（以下、微粒子捕集量と称す）がその上限値に達してしまうと、もはや、フィルタ３２は排気ガス中の微粒子を捕集することができず、微粒子が排気浄化装置１８下流へと流出してしまう。また、フィルタ３２の微粒子捕集量が多くなると、フィルタ３２に起因する圧力損失が大きくなってしまう。
【００３３】
そこで、第１実施形態では、フィルタ３２に起因する圧力損失が大きくなることを抑制するために、フィルタ３２に捕集された微粒子を短時間のうちに連続的に酸化除去するようにしている。詳細には、第１実施形態では、フィルタ３２内に、隔壁５４の両壁面上、および、隔壁５４の細孔を画成する壁面上に全面に亘って、例えば、アルミナからなる担体層を形成し、この担体層上に、貴金属触媒と活性酸素生成剤とを担持し、活性酸素生成剤によって生成される活性酸素と貴金属触媒の触媒作用とによって、フィルタ３２に捕集された微粒子を酸化除去するようにしている。
【００３４】
ところで、フィルタ３２に捕集された微粒子をフィルタ３２内にて流動させると、フィルタ３２における微粒子酸化作用が促進される。そこで、第１実施形態では、フィルタ３２における微粒子酸化作用を促進するために、所定の条件（以下、微粒子流動要求条件と称す）が成立したときに、切換弁２６の位置を図２（Ａ）に示されている第１の位置と図２（Ｃ）に示されている第２の位置との間で切り換えることによって、すなわち、ＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードを順流モードと逆流モードとの間で切り換えることによって、フィルタ３２内における排気ガスの流れを逆転させ、フィルタ３２に捕集されている微粒子を流動させるようにしている。
【００３５】
なお、第１実施形態において、上記微粒子流動要求条件とは、例えば、所定の時間が経過したという条件や、フィルタ３２に起因する圧力損失が所定の値を超えたという条件である。
【００３６】
ところで、上記説明によれば、上述したリッチ要求条件と上述した微粒子流動要求条件とが同時に成立することがある。この場合に、燃料添加弁１９から燃料を噴射すると共に、ＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードを順流モードと逆流モードとの間で切り換えたとすると、切換え途中のバイパスモード時に、燃料添加弁１９から噴射された燃料の一部がＮＯ_Ｘ触媒３２を通過せずに、そのまま、排気浄化装置１８下流へと流出してしまう。
【００３７】
そこで、第１実施形態では、燃料が排気浄化装置１８下流へと流出してしまうことを抑制するために、リッチ要求条件が成立しているとき、すなわち、燃料添加弁１９から燃料が噴射されているときには、微粒子流動要求条件が成立したとしても、切換弁２６の位置の切換を禁止し、したがって、ＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードの切換を禁止するようにしている。
【００３８】
ところで、リッチ要求条件が不成立となり、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止されたとしても、燃料添加弁１９から噴射された燃料によってリッチ空燃比とされている排気ガス全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過しているわけではない。すなわち、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止されたときには、燃料添加弁１９からＮＯ_Ｘ触媒３２までの排気通路内にリッチ空燃比の排気ガスが残っている。ここで、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止されたときに、切換弁２６の位置が切り換えられ、したがって、ＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードが切り換えられると、排気通路内に残っているリッチ空燃比の排気ガスの一部、すなわち、燃料が排気浄化装置１８下流へと流出してしまう。
【００３９】
そこで、第１実施形態では、燃料が排気浄化装置１８下流へと流出してしまうことを抑制するために、リッチ要求条件が不成立となり、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止されたとしても、予め定められた期間（以下、切換禁止期間と称す）が経過するまでは、切換弁２６の位置の切換を禁止し、したがって、ＮＯ_Ｘ触媒３２への排気ガスの流入モードの切換を禁止するようにしている。
【００４０】
図４は、第１実施形態に従って切換弁２６の切換を禁止するための制御を実行するためのルーチンのフローチャートを示している。図４のルーチンでは、始めに、ステップ１０において、リッチ要求フラグＦがセットされている（Ｆ＝１）か否かが判別される。リッチ要求フラグＦはリッチ要求条件が成立するとセットされ、一方、リッチ要求条件が不成立となるとリセットされるフラグである。したがって、ステップ１０において、Ｆ＝１であると判別されたときには、リッチ要求条件が成立しており、燃料添加弁１９から燃料が噴射されている最中であるので、ルーチンはステップ１８に進んで、切換弁２６の切換を禁止し、次いで、ステップ１９において、切換禁止フラグＦｆがセットされ、ルーチンが終了する。なお、切換禁止フラグＦｆは、ステップ１８において切換弁２６の切換が禁止されるとセットされ、一方、ステップ１５において切換弁２６の切換禁止が解除されるとリセットされるフラグである。
【００４１】
ところで、ステップ１０において、Ｆ＝０であると判別されたときには、ルーチンはステップ１１に進んで、切換禁止フラグＦｆがセットされている（Ｆｆ＝１）か否かが判別される。ステップ１１において、Ｆｆ＝０であると判別されたときには、ルーチンは終了する。一方、ステップ１１において、Ｆｆ＝１であると判別されたときには、ルーチンはステップ１２に進んで、排気ガス通過完了期間Ｔｐが算出され、次いで、ステップ１３において、カウンタＣがカウントアップされ、次いで、ステップ１４において、このカウンタＣが切換禁止期間Ｔｐを超えた（Ｃ＞Ｔｐ）か否かが判別される。
【００４２】
ステップ１４において、Ｃ≦Ｔｐであると判別されたときには、ルーチンはステップ１３に戻り、カウンタＣがカウントアップされ、ルーチンは再びステップ１４に戻る。一方、ステップ１４において、Ｃ＞Ｔｐであると判別されたときには、ルーチンはステップ１５に進んで、切換弁２６の切換禁止が解除され、次いで、ステップ１６において、切換禁止フラグＦｆがリセットされ、次いで、ステップ１７において、カウンタＣがクリアされ、ルーチンが終了する。
【００４３】
ところで、上記切換禁止期間は、単に、任意に定められた所定期間であってもよいが、燃料が排気浄化装置１８下流へと流出してしまうことをより確実に抑制するために、第１実施形態では、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止されてからリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過するまでの期間（以下、排気ガス通過完了期間と称す）とされている。そして、第１実施形態では、内燃機関に要求される負荷（以下、機関要求負荷と称す）Ｌと機関回転数Ｎとの関係でもって排気ガス通過完了期間Ｔｐを予め求め、図５に示したようにマップの形で記憶しておき、このマップから排気ガス通過完了期間を算出するようにしている。詳細には、第１実施形態によれば、機関要求負荷が高いほど排気ガス通過完了期間は短く、機関回転数が大きいほど排気ガス通過完了期間は短くなる。
【００４４】
ところで、本発明の内燃機関では、ＥＧＲ通路２７を介して燃焼室２内に導入される排気ガス量（以下、ＥＧＲガス量と称す）が多くなると燃焼室２内にて発生する微粒子の量（以下、微粒子発生量と称す）も多くなり、やがて、ピークとなる。そして、ＥＧＲガス量がさらに多くなると、燃焼室内における燃料およびその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって、煤（微粒子）がほとんど発生しなくなる。すなわち、微粒子発生量がピークとなる排気ガス量よりも少ない適量の排気ガスを燃焼室２内に導入しつつ燃料を燃焼させれば、微粒子発生量を少なく抑えることができ、そして、微粒子発生量がピークとなる排気ガス量よりも多い適量の排気ガスを燃焼室２内に導入しつつ燃料を燃焼させても、微粒子発生量を少なく抑えることができる。
【００４５】
さらに、ＥＧＲガス量が少なければ、相対的に、燃焼室２内の混合気中の空気の量が多くなるので、燃焼室２内にて燃焼可能な燃料の量が多くなる。したがって、ＥＧＲガス量が少なければ、内燃機関から大きな出力を出力可能である。一方、ＥＧＲガス量が多ければ、相対的に、燃焼室２内の混合気中の空気の量が少なくなるので、燃焼室２内にて燃焼可能な燃料の量が少なくなる。したがって、ＥＧＲガス量が多ければ、内燃機関から出力可能な出力は小さい。
【００４６】
こうしたＥＧＲガス量と微粒子発生量との関係、および、ＥＧＲガス量と内燃機関から出力可能な出力との関係とを考慮し、第１実施形態では、図６に示したように、機関運転状態を機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとに基づいて２つの領域Ｉ、ＩＩに分割している。そして、機関運転状態が第１の領域Ｉにあるときには、微粒子発生量がピークとなる排気ガス量よりも多い適量の排気ガスを燃焼室２内に導入しつつ燃料を燃焼させる燃焼モード（以下、低温燃焼モードと称す）でもって燃料を燃焼させる。一方、機関運転状態が第２の領域ＩＩにあるときには、微粒子発生量がピークとなる排気ガス量よりも少ない適量の排気ガスを燃焼室２内に導入しつつ燃料を燃焼させる燃焼モード（以下、通常燃焼モードと称す）でもって燃料を燃焼させるようにしている。
【００４７】
なお、第１の領域Ｉは機関回転数Ｎが比較的小さく且つ要求負荷Ｌが比較的低い領域であり、第２の領域ＩＩはそれ以外の領域であって、機関回転数Ｎが比較的大きいか或いは要求負荷Ｌが比較的高い領域である。
【００４８】
ところで、上述したように、第１実施形態では、機関要求負荷と機関回転数とに基づいて排気ガス通過完了期間が算出されるが、これら機関要求負荷と機関回転数とが同じであったとしても、実際にリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過するまでの期間は、燃料が低温燃焼モードでもって燃焼せしめられているときと燃料が通常燃焼モードでもって燃焼せしめられているときとで異なる。
【００４９】
したがって、内燃機関が複数の種類の燃料モードでもって燃焼を燃焼室２内にて燃焼させるようになっている場合、燃料の燃焼モード（すなわち、燃焼形態）に応じて排気ガス通過完了期間を算出すべきである。そこで、本発明では、燃料の燃焼モード毎に燃料添加弁１９からの燃料噴射量と機関回転数とに基づいて排気ガス通過完了期間が算出される。
【００５０】
ここで、第１実施形態では、低温燃焼モードと通常燃焼モードといった燃焼モード毎に図５に示したようなマップを用意し、燃焼モードが低温燃焼モードであるときには、低温燃焼モード用のマップを用いて排気ガス通過完了期間を算出し、一方、燃焼モードが通常燃焼モードであるときには、通常燃焼モード用のマップを用いて排気ガス通過完了期間を算出するようにしている。これによれば、算出される排気ガス通過完了期間がより正確に真の排気ガス通過完了期間となっていることとなる。
【００５１】
もちろん、燃焼モード毎に排気ガス通過完了期間に対する補正係数を求め、機関要求負荷と機関回転数とに基づいて算出された排気ガス通過完了期間をこの補正係数でもって補正するようにしてもよい。
【００５２】
ところで、本発明の内燃機関では、要求に応じた燃料噴射モードでもって燃料噴射弁３から燃料を噴射するようにしている。例えば、第１実施形態では、通常時においては、図７（Ａ）に示した燃料噴射モードでもって、燃料噴射弁３から燃料が噴射される。すなわち、図７（Ａ）に符号Ｑｍで示したように、圧縮上死点ＴＤＣ直後のタイミングで燃料噴射弁３から燃焼室２内に燃料が噴射される。このとき噴射された燃料は主に内燃機関を駆動するために消費される。
【００５３】
さらに、第１実施形態では、内燃機関を駆動するために消費されるべき燃料の燃焼を促進すべきであると判断したときには、図７（Ｂ）に示した燃料噴射モードでもって、燃料噴射弁３から燃料が噴射される。すなわち、図７（Ｂ）に符号Ｑｐｉで示したように、圧縮上死点ＴＤＣ直前のタイミングで燃料噴射弁３から燃焼室２内に少量の燃料が噴射される。このとき噴射された燃料は主に燃料の燃焼を促進するために消費される。そして、その後、図７（Ｂ）に符号Ｑｍで示したように、圧縮上死点ＴＤＣ直後のタイミングで燃料噴射弁３から燃焼室２内に内燃機関の駆動用の燃料が噴射される。
【００５４】
さらに、第１実施形態では、燃焼室２から排出される排気ガスの温度を上昇すべきであると判断したときには、図７（Ｃ）に示した燃料噴射モードでもって、燃料噴射弁３から燃料が噴射される。すなわち、図７（Ｃ）に符号Ｑｐｏで示したように、圧縮上死点ＴＤＣ直後のタイミングで燃料噴射弁３から燃焼室２内に内燃機関の駆動用の燃料が噴射される。そして、その後、図７（Ｃ）に符号Ｑｐｏで示したように、膨張下死点ＢＤＣ直前のタイミング、すなわち、膨張行程後期のタイミングで燃料噴射弁３から燃焼室２内に少量の燃料が噴射される。この膨張行程後期のタイミングで噴射された燃料は主に排気ガスの温度を上昇するために消費される。
【００５５】
ところで、上述したように、第１実施形態では、機関要求負荷と機関回転数とに基づいて排気ガス通過完了期間が算出されるが、これら機関要求負荷と機関回転数とが同じであっても、実際にリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過するまでの期間は、燃料の噴射モード毎に異なる。
【００５６】
したがって、内燃機関が複数の種類の燃料噴射モードでもって燃料噴射弁３から燃料を噴射させるようになっている場合、燃料噴射モード（すなわち、燃料噴射形態）に応じて排気ガス通過完了期間を算出すべきである。そこで、本発明では、燃料噴射モード毎に機関要求負荷と機関回転数とに基づいて排気ガス通過完了期間が算出される。ここで、第１実施形態では、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）といった燃料噴射モード毎に図５に示したようなマップを用意し、各燃料噴射モード用のマップを用いて排気ガス通過完了期間を算出するようにしている。これによれば、算出される排気ガス通過完了期間がより正確に真の排気ガス通過完了期間となる。
【００５７】
もちろん、燃料噴射モード毎に排気ガス通過完了期間に対する補正係数を求め、機関要求負荷と機関回転数とに基づいて算出された排気ガス通過完了期間をこの補正係数でもって補正するようにしてもよい。
【００５８】
ところで、上述したように、第１実施形態では、機関要求負荷と機関回転数とに基づいて排気ガス通過完了期間が算出されるが、これら機関要求負荷と機関回転数とが同じであったとしても、実際にリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過するまでの期間は、燃料添加弁１９からの燃料噴射量や燃焼室２内の混合気の空燃比毎に異なる。そこで、第１実施形態では、図５に示したマップから算出された排気ガス通過完了期間を燃料添加弁１９からの燃料噴射量および燃焼室２内の混合気の空燃比に応じて補正するようにしている。
【００５９】
具体的には、例えば、第１実施形態では、燃料添加弁１９からの燃料噴射量が多いほど算出された排気ガス通過完了期間をそれが長くなるように補正し、燃焼室２内の混合気の空燃比が小さいほど算出された排気ガス通過完了期間をそれが長くなるように補正する。これによれば、算出される排気ガス通過完了期間がより正確に真の排気ガス通過完了期間となっていることとなる。
【００６０】
ところで、第１実施形態では、機関要求負荷と機関回転数とに基づいて排気ガス通過完了期間を算出するようにしているが、これ以外に、排気ガスの温度と排気ガスの流量と排気ガスの圧力とに基づいて排気ガス通過完了期間を算出することもできる。
【００６１】
そこで、第２実施形態では、排気ガスの温度と排気ガスの流量と排気ガスの圧力とに基づいて排気ガス通過完了期間を算出するようにしている。具体的には、排気ガス通過完了期間をＴｐ、燃料添加弁１９からフィルタ３２下流側端面までの排気通路の容積をＶｏ、排気ガスの温度をＴｅｘ、排気ガスの流量をＧｅｘ、排気ガスの圧力をＰｅｘ、排気ガスの気体定数をＲｅｘとした場合、式Ｔｐ＝Ｖｏ／（Ｇｅｘ×Ｔｅｘ×Ｒｅｘ／Ｐｅｘ）でもって、排気ガス通過完了期間を算出するようにしている。
【００６２】
なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様に、斯くして算出された排気ガス通過完了期間を燃焼モード、燃料噴射モード、燃料添加弁１９からの燃料噴射量、燃焼室２内の混合気の空燃比などによって補正するようにしてもよい。また、排気ガスの流量はエアフローメータ１３からの出力と燃料噴射量とに基づいて算出可能である。
【００６３】
ところで、リッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過したことを空燃比センサを用いて検出することもできる。云い換えれば、空燃比センサを用いて排気ガス通過完了期間を算出することができる。そこで、第３実施形態では、以下のようにして、空燃比センサを用いて、リッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過したことを検出し、このときまでを排気ガス通過完了期間とするようにしている。
【００６４】
すなわち、第３実施形態では、ＮＯ_Ｘ触媒３２下流に配置されている下流側空燃比センサ２３からの出力を監視し、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止された後に、この下流側空燃比センサ２３によって検出される排気ガスの空燃比がリッチでなくなったことをもって、リッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過したと判断し、このときまでを排気ガス通過完了期間とする。
【００６５】
また、第４実施形態では、以下のようにして、空燃比センサを用いて、リッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過したことを検出し、このときまでを排気ガス通過完了期間とするようにしている。すなわち、第４実施形態では、ＮＯ_Ｘ触媒３２上流に配置されている上流側空燃比センサ１６からの出力と、ＮＯ_Ｘ触媒３２下流に配置されている下流側空燃比センサ２３からの出力とを監視し、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止された後に、下流側空燃比センサ２３によって検出される排気ガスの空燃比がリッチでなくなってから、この下流側空燃比センサ２３によって検出される排気ガスの空燃比と、上流側空燃比センサ２６によって検出される排気ガスの空燃比とがほぼ等しくなったことをもって、リッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過したと判断し、このときまでを排気ガス通過完了期間とする。
【００６６】
図８は第４実施形態に従った燃料添加弁の作動などを示すタイムチャートである。図８（Ａ）は燃料添加弁に対する作動信号を示し、この作動信号がＯＮとなると燃料添加弁から燃料が噴射され、この作動信号がＯＦＦとなると燃料添加弁からの燃料噴射が停止されることを示す。また、図８（Ｂ）は排気ガスの空燃比の推移を示し、鎖線Ｘは上流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比の推移であり、実線Ｙは下流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比の推移である。また、図８（Ｃ）は時刻を示している。
【００６７】
時刻ｔ０において、リッチ要求条件が成立すると、燃料添加弁に対する作動信号がＯＮとされる。すると、下流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比、すなわち、フィルタ下流の排気ガスの空燃比Ｙが若干遅れて小さくなり、やがて、リッチとなる。そして、時刻ｔ１において、リッチ要求条件が不成立となると、燃料添加弁に対する作動信号がＯＦＦにされる。すると、フィルタ下流の排気ガスの空燃比Ｙが若干遅れて大きくなり、やがて、リーンとなる。そして、時刻ｔ３において、上流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比Ｘとフィルタ下流の排気ガスの空燃比Ｙとがほぼ等しくなる。
【００６８】
以降、同様に、時刻ｔ４においてリッチ要求条件が成立し、時刻ｔ５においてリッチ条件が不成立となり、時刻ｔ８においてリッチ要求条件が成立し、時刻ｔ９においてリッチ条件が不成立となり、時刻ｔ１２においてリッチ条件が成立し、時刻ｔ１３においてリッチ条件が不成立となる。
【００６９】
さて、第４実施形態によれば、図８において、期間Ａは燃料添加弁から燃料が噴射されている期間であるので、切換弁２６の位置の切換が禁止される。また、第４実施形態によれば、図８において、期間Ｔｐはフィルタ下流の排気ガスの空燃比がいったんリッチとなってから、上流側空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比とほぼ等しくなっていない期間、すなわち、上記切換禁止期間（排気ガス通過完了期間）であるので、ここでも、切換弁２６の位置の切換が禁止される。したがって、図８において、期間Ｂが切換弁２６の位置の切換が許可される期間である。
【００７０】
ところで、上述した実施形態によれば、リッチ要求条件が比較的短い時間間隔でもって成立した場合、切換弁２６の切換を禁止する期間が連続してしまい、非常に長くなってしまうことがある。この場合、切換弁２６の位置がいっこうに切り換えられないので、フィルタ３２の微粒子酸化作用が促進されないという不具合がある。そこで、上述した実施形態において、切換弁２６の切換が禁止されている期間がトータルで許容上限値を超えたときには、燃料添加弁１９からの燃料噴射を強制的に禁止し、その後、排気ガス通過完了期間が経過したときに切換弁２６の位置を切り換え、その後、燃料添加弁１９からの燃料噴射を再開するようにしてもよい。
【００７１】
なお、上述した実施形態において、リッチ要求条件が成立したときに燃料添加弁１９から燃料を噴射するのではなく、燃料噴射弁３から燃焼室２内に噴射する燃料の量を増量することによって、排気ガスの空燃比をリッチとするようにしてもよい。
【００７２】
また、ＮＯ_Ｘ触媒３２はそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）を保持する。そして、ＮＯ_Ｘ触媒３２が保持しているＳＯ_Ｘの量が多くなると、ＮＯ_Ｘ触媒３２が保持可能なＮＯ_Ｘの量が少なくなってしまう。ここで、ＮＯ_Ｘ触媒３２の温度を比較的高温に保ったままでＮＯ_Ｘ触媒３２に流入する排気ガスの空燃比をリッチとすれば、ＮＯ_Ｘ触媒３２に保持されているＳＯ_ＸはＮＯ_Ｘ触媒３２から除去されることが分かっている。
【００７３】
そこで、上述した実施形態において、ＮＯ_Ｘ触媒３２のＳＯ_Ｘ保持量が予め定められた量を超えたことをもって、リッチ要求条件が成立したとしてもよい。これによれば、ＮＯ_Ｘ触媒３２のＳＯ_Ｘ保持量が多くなったときに、ＮＯ_Ｘ触媒３２にリッチ空燃比の排気ガスが供給されるので、ＮＯ_Ｘ触媒３２からＳＯ_Ｘが除去されることとなる。もちろん、このとき、ＮＯ_Ｘ触媒３２の温度を比較的高温に保つように何らかの手段を講じておく。
【００７４】
また、フィルタ３２の温度が高いほど、フィルタ３２において単位時間当たりに酸化除去される微粒子の量は多くなる。ここで、フィルタ３２にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、排気ガス中の炭化水素がフィルタ３２にて酸化して、フィルタ３２の温度が上昇する。そこで、上述した実施形態において、フィルタ３２における単位時間当たりに酸化除去される微粒子の量を多く維持するために、フィルタ３２において単位時間当たりに酸化除去可能な微粒子の量が予め定められた下限値を下回ったことをもって、リッチ要求条件が成立したとしてもよい。
【００７５】
また、フィルタ３２においては、微粒子は連続的に酸化除去されるが、燃焼室２から排出される微粒子の量が多ければ、フィルタ３２には、一時的に、微粒子が比較的多く堆積することとなり、いったん堆積してしまった微粒子は酸化除去されづらくなってしまう。ここで、フィルタ３２にリッチ空燃比の排気ガスを供給すれば、排気ガス中の炭化水素を還元剤として、フィルタ３２に堆積している微粒子を一気に酸化除去することができる。そこで、上述した実施形態において、フィルタ３２に堆積している微粒子の量が予め定められた上限値を超えたことをもって、リッチ要求条件が成立したとしてもよい。
【００７６】
ところで、上述した実施形態における排気浄化装置の代わりに、図９に示した第５実施形態の排気浄化装置を採用している場合にも本発明を適用可能である。図９に示した排気浄化装置１８では、排気通路にＮＯ_Ｘ触媒３２が配置されている。また、ＮＯ_Ｘ触媒３２上流の排気通路からＮＯ_Ｘ触媒３２下流の排気通路までＮＯ_Ｘ触媒３２をバイパスするバイパス通路３１が延びている。排気通路とバイパス通路３１との分岐部には、排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒３２に流入させるのか、或いは、排気ガスをバイパス通路に流入させるのかを切り換えるための切換弁２６が配置されている。
【００７７】
すなわち、切換弁２６が図９（Ａ）に示されている位置に位置決めされたときには、排気ガスはＮＯ_Ｘ触媒３２に流入する。一方、切換弁２６が図９（Ｂ）に示されている位置に位置決めされたときには、排気ガスはバイパス通路３１に流入する。例えば、排気ガス中にＮＯ_Ｘが含まれていないことから排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒３２を介さずに排気浄化装置１８下流へと流出させても排気エミッションは悪化せず、排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒３２を介さずに排気浄化装置１８下流へと流出させたほうがＮＯ_Ｘ触媒３２に起因する圧力損失が小さくなるので好ましい場合に、切換弁２６は図９（Ｂ）に示されている位置に位置決めされる。
【００７８】
このように、排気ガスをバイパス通路３１に流入させてもよい条件（以下、バイパス可能条件と称す）が成立したときには、第５実施形態では、切換弁２６の位置が図９（Ａ）に示されている位置から図９（Ｂ）に示されている位置（以下、バイパス位置と称す）に切り換えられる。しかしながら、上述した実施形態と同様に、リッチ要求条件が成立している間にバイパス可能条件が成立したときに、切換弁２６の位置をバイパス位置に切り換えてしまうと、リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_Ｘ触媒３２を通らずに排気浄化装置１８下流へと流出してしまう。そこで、第５実施形態においても、上述した実施形態と同様に、リッチ要求条件が成立している間にバイパス可能条件が成立したとしても、切換弁２６の位置の切換を禁止する。
【００７９】
ところで、リッチ要求条件が不成立となり、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止されたとしても、燃料添加弁１９から噴射された燃料によってリッチ空燃比とされている排気ガス全てがＮＯ_Ｘ触媒３２を通過しているわけではない。そこで、第５実施形態においても、上述した実施形態と同様に、リッチ要求条件が不成立となり、燃料添加弁１９からの燃料噴射が停止されたとしても、切換禁止期間が経過するまでは、切換弁２６の位置の切換を禁止するようにする。
【００８０】
なお、切換禁止期間の設定など第５実施形態のその他の構成は上述した実施形態における構成と同様であるので、説明は省略する。もちろん、上述した実施形態と同様に、ＮＯ_Ｘ触媒３２がＮＯ_Ｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタであってもよい。
【００８１】
最後に、フィルタ３２の微粒子酸化作用について詳細に説明する。本発明のフィルタ３２では、貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）が用いられる。一方、活性酸素生成剤としては、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金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）のような希土類、鉄（Ｆｅ）のような遷移金属、およびスズ（Ｓｎ）のような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられる。
【００８２】
活性酸素生成剤は、周囲に過剰な酸素が存在すると酸素を吸収によって保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持している酸素を活性酸素の形で解放することによって活性酸素を生成する。次に、活性酸素生成剤の活性酸素生成作用について、担体上に白金およびカリウム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、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な活性酸素生成作用が行われる。
【００８３】
上述したように、圧縮着火式の内燃機関から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。したがって、フィルタ３２に流入する排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。また、圧縮着火式内燃機関の燃焼室２内ではＮＯが発生する。したがって、排気ガス中にはＮＯが含まれている。このため過剰酸素、および、ＮＯを含んだ排気ガスがフィルタ３２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００８４】
図１０（Ａ）および（Ｂ）は、隔壁５４上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図１０（Ａ）および（Ｂ）において、６０は白金の粒子を示し、６１はカリウムを含んでいる活性酸素生成剤を示している。
【００８５】
排気ガスがフィルタ３２の排気ガス流入通路５０内に流入すると、図１０（Ａ）に示したように、排気ガス中の酸素（Ｏ_２）がＯ_２ ⁻またはＯ^２−の形で白金の表面に付着する。排気ガス中のＮＯはこれらＯ_２ ⁻またはＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる。斯くして生成されたＮＯ_２の一部は、白金上で酸化されつつ活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持され、図１０（Ａ）に示したように、カリウム（Ｋ）と結合しながら硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）の形で活性酸素生成剤６１内に拡散し、硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）の形で活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持される。
【００８６】
ここで、燃焼室２内においては主にカーボン（Ｃ）からなる微粒子が生成される。したがって、排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスが排気ガス流入通路５０内を流れているとき、或いは、隔壁５４の細孔内を通過するときに、図１０（Ｂ）において６２で示したように、活性酸素生成剤６１の表面上に接触して付着する。
【００８７】
このように微粒子６２が活性酸素生成剤６１の表面上に付着すると、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。すなわち、活性酸素生成剤６１の周囲の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生成剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして、活性酸素生成剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素生成剤６１内に形成されている硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）がカリウム（Ｋ）と酸素（Ｏ）とＮＯとに分解され、酸素（Ｏ）が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かい、その一方で、ＮＯが活性酸素生成剤６１から外部に放出される。
【００８８】
ここで、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かう酸素は、硝酸カリウムといった化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、したがって、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。こうして活性酸素生成剤６１は活性酸素を生成する。なお、外部に放出されたＮＯは下流側の白金上において酸化され、再び活性酸素生成剤６１内に保持される。
【００８９】
活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素はそこに付着した微粒子を酸化除去するために消費される。すなわち、フィルタ３２に捕集された微粒子は活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素によって酸化除去される。
【００９０】
このように本発明では、フィルタ３２に捕集されている微粒子は、反応性の高い活性酸素によって、輝炎を発することなく酸化除去される。このように輝炎を発することのない酸化によって微粒子を除去すれば、フィルタ３２の温度が過剰に高くなることがなく、したがって、フィルタ３２が熱劣化することがない。
【００９１】
さらに、微粒子を酸化除去するために利用される活性酸素は反応性が高いので、フィルタ３２の温度が比較的低くても、微粒子は酸化除去される。すなわち、圧縮点火式内燃機関から排出される排気ガスの温度が比較的低く、このため、フィルタ３２の温度も比較的低いことが多いが、本発明によれば、フィルタ３２の温度を上昇させるための特別な処理を実行しなくても、フィルタ３２に捕集された微粒子は酸化除去され続ける。
【００９２】
なお、活性酸素生成剤６１は周囲に過剰な酸素が存在するとＮＯ_Ｘを硝酸イオンの形で保持することによって結果的に酸素を保持する。すなわち、活性酸素生成剤６１は周囲に過剰な酸素が存在するとＮＯ_Ｘを吸収によって保持する。一方、活性酸素生成剤６１は周囲の酸素濃度が低下すると硝酸イオンの形で保持されているＮＯ_Ｘを解放することによって活性酸素を生成する。すなわち、活性酸素生成剤６１は周囲の酸素濃度が低下するとＮＯ_Ｘを解放する。したがって、本発明の活性酸素生成剤６１はＮＯ_Ｘ保持剤としても機能する。
【００９３】
ここで、活性酸素生成剤６１周りの酸素濃度が低下する場合とは、上述したように、周囲の雰囲気はリーン雰囲気であるが活性酸素生成剤６１に微粒子が付着した場合の他に、フィルタ３２に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなって周囲の雰囲気がリッチ雰囲気となった場合がある。
【００９４】
周囲の雰囲気はリッチ雰囲気であるが活性酸素生成剤６１に微粒子が付着することで活性酸素生成剤６１周りの酸素濃度が低下した場合に解放されたＮＯ_Ｘは、上述したように、再び活性酸素生成剤６１に吸収によって保持される。一方、フィルタ３２に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなって周囲の雰囲気がリッチ雰囲気となった場合に解放されたＮＯ_Ｘは、白金の作用によって排気ガス中の炭化水素で還元浄化される。云い換えれば、内燃機関からリッチ空燃比の排気ガスが排出されるように内燃機関の運転を制御すれば、活性酸素生成剤６１に保持されているＮＯ_Ｘを還元浄化することができる。したがって、本発明のフィルタ３２は、活性酸素生成剤６１と白金とからなるＮＯ_Ｘ触媒を具備する。
【００９５】
【発明の効果】
本発明によれば、リッチ化手段の作動中は切換手段による流入モードの切換が禁止されるので、リッチ化手段の作動中においてリッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_Ｘ触媒を通らずに排気浄化装置下流へと流出してしまうことが抑制される。さらに、本発明によれば、リッチ化手段の作動が停止された後においても、予め定められた切換禁止期間に亘って切換手段による流入モードの切換が禁止されるので、リッチ化手段の作動停止後においてもリッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_Ｘ触媒を通らずに排気浄化装置下流へと流出してしまうことが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関の全体図である。
【図２】本発明の排気浄化装置の動作形態を説明するための図である。
【図３】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図４】第１実施形態の切換弁の切換禁止制御を実行するためのルーチンを示す図である。
【図５】排気ガス通過完了期間を算出するためのマップを示す図である。
【図６】燃焼モードを決定するために用いられるマップを示す図である。
【図７】第１実施形態の燃料噴射モードを説明するための図である。
【図８】第４実施形態に従った燃料添加弁の作動などを示すタイムチャートである。
【図９】第５実施形態の排気浄化装置を示した図である。
【図１０】パティキュレートフィルタにおける微粒子酸化作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２…燃焼室
３…燃料噴射弁
４…吸気マニホルド
５…排気マニホルド
１６…空燃比センサ
１８…排気浄化装置
１９…燃料添加弁
２３…空燃比センサ
２６…切換弁
２７…ＥＧＲ通路
３１…バイパス通路
３２…ＮＯ_Ｘ触媒（パティキュレートフィルタ）

Claims

内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するためのＮＯ_Ｘ触媒を排気通路に具備し、該ＮＯ_Ｘ触媒がそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持し、一方、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯ_Ｘを還元剤によって還元浄化することができ、さらに、排気ガスの空燃比をリッチとするためのリッチ化手段を具備し、所定条件が成立したときに該リッチ化手段を作動することによってＮＯ_Ｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするようにした排気浄化装置において、排気ガスを一方の側からＮＯ_Ｘ触媒に流入させる順流モードと排気ガスを他方の側からＮＯ_Ｘ触媒に流入させる逆流モードとの間でＮＯ_Ｘ触媒への排気ガスの流入モードを切り換えるための切換手段を具備し、上記リッチ化手段の作動中は該切換手段による流入モードの切換を禁止すると共に、上記リッチ化手段の作動停止後においても予め定められた切換禁止期間に亘って切換手段による流入モードの切換を禁止するようにしたことを特徴とする排気浄化装置。
内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するためのＮＯ_Ｘ触媒を排気通路に具備し、該ＮＯ_Ｘ触媒がそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Ｘを保持し、一方、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると保持しているＮＯ_Ｘを還元剤によって還元浄化することができ、さらに、排気ガスの空燃比をリッチとするためのリッチ化手段を具備し、所定条件が成立したときに該リッチ化手段を作動することによってＮＯ_Ｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするようにした排気浄化装置において、ＮＯ_Ｘ触媒をバイパスするようにＮＯ_Ｘ触媒上流の排気通路からＮＯ_Ｘ触媒下流の排気通路へと延びるバイパス通路と、排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒に流入させる流入モードと排気ガスをバイパス通路に流入させる流入モードとの間で排気ガスの流入モードを切り換えるための切換手段とを具備し、上記リッチ化手段の作動中は該切換手段による流入モードの切換を禁止すると共に、上記リッチ化手段の作動停止後においても予め定められた切換禁止期間に亘って切換手段による流入モードの切換を禁止するようにしたことを特徴とする排気浄化装置。
上記リッチ化手段の作動が停止されてからリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒を通過するまでの排気ガス通過完了期間が上記切換禁止期間として設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
上記排気ガス通過完了期間が機関要求負荷と機関回転数との少なくとも１つに基づいて算出されることを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
内燃機関が複数の種類の燃焼モードでもって燃料を燃焼室内にて燃焼させることができ、上記排気ガス通過完了期間が上記燃焼モード毎に機関要求負荷と機関回転数との少なくとも１つに基づいて算出されることを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
上記排気ガス通過完了期間が排気ガスの温度、排気ガスの流量、および、排気ガスの圧力の少なくとも１つに基づいて算出されることを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
排気ガスの空燃比を検出することができる空燃比センサがＮＯ_Ｘ触媒下流に配置され、リッチ化手段の作動停止後において該空燃比センサによって排気ガスの空燃比がリッチでなくなったことが検出されたことをもってリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒を通過したと判断されることを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
排気ガスの空燃比を検出することができる空燃比センサがＮＯ_Ｘ触媒上流とＮＯ_Ｘ触媒下流とに配置され、リッチ化手段の作動停止後においてＮＯ_Ｘ触媒下流の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比がリッチでなくなってから該ＮＯ_Ｘ触媒下流の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比が上記ＮＯ_Ｘ触媒上流の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比と略等しくなったことをもってリッチ空燃比の排気ガスのほとんど全てがＮＯ_Ｘ触媒を通過したと判断されることを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。