JP2005036658A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＮＯｘ保持剤の前段にＳＯｘ保持剤を有する排気浄化装置において、ＮＯｘ保持剤を効率良く再生処理できる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＳＯｘ保持剤担持フィルタ５０と、フィルタバイパス通路４４と、フィルタを通る排気ガス量を制御する弁４８と、フィルタ上流から還元剤を供給する第１供給手段と、ＮＯｘ保持剤５１と、ＮＯｘ保持剤バイパス通路４４と、ＮＯｘ保持剤を通る排気ガス量を制御する弁５３と、ＮＯｘ保持剤を通る排気ガスに還元剤を供給する第２供給手段５６とを具備し、ＮＯｘ保持剤５１を再生処理すべき時には、低負荷なら上記第１供給手段で還元剤を供給すると共に排気ガスがＮＯｘ保持剤５１に直接流入するようにし、高負荷なら排気ガスがフィルタ５０を通るようにすると共にＮＯｘ保持剤５１を通る排気ガス量を調整しつつ上記第２供給手段５６で還元剤を供給する、排気浄化装置が提供される。
【選択図】 図５
【解決手段】ＳＯｘ保持剤担持フィルタ５０と、フィルタバイパス通路４４と、フィルタを通る排気ガス量を制御する弁４８と、フィルタ上流から還元剤を供給する第１供給手段と、ＮＯｘ保持剤５１と、ＮＯｘ保持剤バイパス通路４４と、ＮＯｘ保持剤を通る排気ガス量を制御する弁５３と、ＮＯｘ保持剤を通る排気ガスに還元剤を供給する第２供給手段５６とを具備し、ＮＯｘ保持剤５１を再生処理すべき時には、低負荷なら上記第１供給手段で還元剤を供給すると共に排気ガスがＮＯｘ保持剤５１に直接流入するようにし、高負荷なら排気ガスがフィルタ５０を通るようにすると共にＮＯｘ保持剤５１を通る排気ガス量を調整しつつ上記第２供給手段５６で還元剤を供給する、排気浄化装置が提供される。
【選択図】 図５
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】
一般に、自動車等に搭載される筒内噴射型の内燃機関、例えばディーゼル機関では、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することが要求されている。そしてこのような要求に対し、ＮＯｘ保持剤を内燃機関の排気通路に配置する方式の排気浄化装置が提案されている。
【０００３】
このような排気浄化装置に用いられるＮＯｘ保持剤は、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にはその排気ガス中のＮＯｘを保持し、排気ガス中の空燃比が小さくなり、且つ排気ガス中にＨＣやＣＯ等の還元剤が存在していれば保持していたＮＯｘを離脱させ還元浄化する作用（ＮＯｘの保持離脱及び還元浄化作用）を有する。そして、この作用を利用して、排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ保持剤に保持させ、一定期間使用してＮＯｘ保持剤の保持能力が低下した時または低下する前にＮＯｘ保持剤に保持したＮＯｘを還元浄化する、すなわちＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理するようにしている。
【０００４】
なお、本明細書において「保持」という語は「吸収」及び「吸着」の両方の意味を含むものとして用いる。したがって、「ＮＯｘ保持剤」は、「ＮＯｘ吸収剤」と「ＮＯｘ吸着剤」の両方を含み、前者はＮＯｘを硝酸塩等の形で蓄積し、後者はＮＯ２等の形で吸着する。また、ＮＯｘ保持剤からの「離脱」という語についても、「吸収」に対応する「放出」の他、「吸着」に対応する「脱離」の意味も含むものとして用いる。
【０００５】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄（Ｓ）成分が含まれている場合があり、この場合には排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれることとなる。排気ガス中にＳＯｘが存在するとＮＯｘ保持剤はＮＯｘの保持作用を行うのと全く同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを保持する。
【０００６】
ところが、ＮＯｘ保持剤に保持されたＳＯｘは比較的安定であり、一般にＮＯｘ保持剤に蓄積されやすい傾向がある。ＮＯｘ保持剤のＳＯｘ蓄積量が増大すると、ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ保持容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなるため、ＮＯｘの浄化効率が低下するいわゆる硫黄被毒（Ｓ被毒）の問題が生じる。特に、燃料として比較的硫黄成分を多く含む軽油を使用するディーゼルエンジンにおいてはこの硫黄被毒の問題が生じやすい。
【０００７】
そこで、上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ保持能力を長期にわたって高く維持するために、ＮＯｘ保持剤よりも上流に、排気ガス中のＳＯｘを保持するＳＯｘ保持剤を配置し、ＮＯｘ保持剤にＳＯｘが流れ込まないようにして硫黄被毒の防止を図った排気浄化装置が開発されている。
【０００８】
このようなＳＯｘ保持剤は、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にはその排気ガス中のＳＯｘを保持し、排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると保持したＳＯｘを離脱させるというものである。しかし、このＳＯｘ保持剤のＳＯｘ保持容量にも限界があるため、ＳＯｘ保持剤が飽和する前にＳＯｘ保持剤から積極的に硫黄分を離脱させる処理、すなわちＳＯｘ再生処理を実行する必要がある。そのため、ＮＯｘ保持剤の上流側にＳＯｘ保持剤を配置した構成の上記のような排気浄化装置には、通常、ＮＯｘ保持剤をバイパスするバイパス通路が設けられており、ＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理中には排気ガスがバイパス通路を通ってＮＯｘ保持剤をバイパスするようにされ、ＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理に伴うＮＯｘ保持剤の硫黄被毒を防止するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
このように、ＮＯｘ保持剤の上流側にＳＯｘ保持剤を配置した構成の上記のような排気浄化装置においては、理想的には下流のＮＯｘ保持剤にＳＯｘが流入することがなく硫黄被毒されることはない。しかしながら、実際には、例えばＳＯｘ保持剤の保持能力を超える大量のＳＯｘが一気にＳＯｘ保持剤に流入した場合等、様々な理由でＳＯｘがＮＯｘ保持剤に流入する場合がある。したがって、頻度は少ないものの、ＮＯｘ保持剤についてもＳＯｘ再生処理を行う必要がある。
【００１０】
ＮＯｘ保持剤に保持されているＳＯｘについても、ＮＯｘと同じメカニズムで離脱させることが可能である。しかし、ＳＯｘは比較的安定した形でＮＯｘ保持剤に保持されるため、通常のＮＯｘの還元浄化制御が行われる温度（例えば２５０℃程度以上）ではＮＯｘ保持剤に保持されたＳＯｘを放出等させることは困難である。このため、ＮＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理を行うためには、ＮＯｘ保持剤を通常のＮＯｘ還元浄化制御時より高い温度、すなわち硫黄分放出温度（例えば６００℃以上）に昇温し、且つ流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチにする必要がある。
【００１１】
以上、説明したように、上記ＮＯｘ保持剤はＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理の必要がある。そして、これらを効率的に実施する方法としては内燃機関における燃料噴射制御や燃焼制御を利用する方法が知られている。すなわち例えば、膨張行程または排気行程中に燃焼室内へ補助燃料を噴射することによって、あるいはいわゆる低温燃焼をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比のもとで行うことによって上記ＮＯｘ再生処理または上記ＳＯｘ再生処理を行うようにする。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−２７４２３０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３４１３号公報
【特許文献３】
特開２０００−３２８９２８号公報
【特許文献４】
特開２００１−１６６０８９号公報
【特許文献５】
特開平１１−３６９２３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＮＯｘ保持剤の上流側にＳＯｘ保持剤を配置した構成の上記のような排気浄化装置においては、これらの方法によって下流側のＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理しようとすると様々な不都合が生じる。すなわち例えば、これらの方法によってＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理しようとすると、上流側にあるＳＯｘ保持剤からＳＯｘの離脱が起こり、そのＳＯｘがＮＯｘ保持剤に流入してＮＯｘ保持剤が硫黄被毒されてしまう可能性がある。そしてこのような硫黄被毒を避けようとすると、ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理の実施可能時期が上流側にあるＳＯｘ保持剤からのＳＯｘの離脱が少ないと考えられるＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理完了直後に限られてしまう。また、上記の方法によってＮＯｘ保持剤をＳＯｘ再生処理しようとした場合には、上流側にＳＯｘ保持剤があるために下流側にあるＮＯｘ保持剤の昇温が不充分になり、充分なＳＯｘ再生処理を行うことが困難となる。
【００１４】
本発明は、上述したような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、ＮＯｘ保持剤の硫黄被毒防止用のＳＯｘ保持剤を有する排気浄化装置において、ＮＯｘ保持剤を効率良くＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理できる排気浄化装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路内に配置されたＳＯｘ保持剤が担持されたパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタをバイパスするように構成された第１バイパス通路と、上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガス量と上記第１バイパス通路を流通する排気ガス量との割合を制御する第１制御弁と、上記第１バイパス通路の始端よりも上流において還元剤を供給する第１還元剤供給手段と、上記第１バイパス通路の終端よりも下流において排気通路内に配置されたＮＯｘ保持剤と、該ＮＯｘ保持剤をバイパスするように構成された第２バイパス通路と、上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量と上記第２バイパス通路を流通する排気ガス量との割合を制御する第２制御弁と、上記ＮＯｘ保持剤へ流入する排気ガスへ還元剤を供給する第２還元剤供給手段と、を具備する内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯｘ保持剤に保持されたＮＯｘを離脱させ還元すべき時または上記ＮＯｘ保持剤に保持された硫黄分を離脱させるべき時には、機関運転状態が検出され、検出された機関運転状態が予め定めた負荷よりも低負荷の場合には、上記第１還元剤供給手段によって還元剤が供給されると共に上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第１バイパス通路を流通するようにされ、且つ、上記第２制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記ＮＯｘ保持剤を流通するようにされる一方、検出された機関運転状態が予め定めた負荷よりも高負荷の場合には、上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記パティキュレートフィルタを流通するようにされると共に、上記第２制御弁によって上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量を調整しつつ上記第２還元剤供給手段によって還元剤が供給される、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合、例えば内燃機関における燃料噴射制御や燃焼制御を利用して、還元剤を機関本体から供給するようにすると、これらの処理を効率的に実施できる。そして、このような方法によるＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理は、発生する排気ガス量が少なく、また燃料噴射量の少ない低負荷時に良好に実施できることがわかっている。
【００１８】
一方、ＮＯｘ保持剤の硫黄被毒対策等のためにＳＯｘ保持剤がＮＯｘ保持剤の上流側に配置されている構成においては、上記のような方法で下流側のＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理しようとすると、排気ガスがＳＯｘ保持剤を通過してからＮＯｘ保持剤に流入することになるために様々な不都合が生じる。すなわち、例えば上流側にあるＳＯｘ保持剤から離脱したＳＯｘによってＮＯｘ保持剤が硫黄被毒されてしまったり、ＮＯｘ保持剤の昇温が不充分になってしまう場合がある。
【００１９】
これに対し、請求項１に記載の発明では、上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第１バイパス通路を流通するようにすることができるので、低負荷時（すなわち、機関運転状態が上記予め定めた負荷よりも低負荷の場合）において、上記のような不都合を生じることなく、効率的に上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。
【００２０】
また、請求項１に記載の発明では、機関運転状態が予め定めた負荷よりも高負荷の場合には、上記第２還元剤供給手段により還元剤を供給することによって上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理が図られる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、広範な機関運転状態において上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行うことができる。更に、この高負荷時において上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理すべく還元剤を供給する際には、上記第２制御弁によって上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量が調整され、燃費悪化が抑制される。
【００２１】
請求項２に記載の発明では請求項１に記載の発明において、上記内燃機関は、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、上記第１還元剤供給手段は、燃焼室内における平均空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになるようにすると共に燃焼室内の不活性ガス量が煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも多くなるようにすることによって還元剤を供給する。
【００２２】
燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる内燃機関においては、燃焼室内の不活性ガス量を煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも多くするといわゆる低温燃焼を行うことができる。
【００２３】
そしてこの低温燃焼は、その性質上、燃料噴射量が少なく燃焼による発熱量が比較的少ない低負荷時に良好に実施することが可能なのであるが、この低温燃焼を利用して排気通路内に配置されたＮＯｘ保持剤を効率的にＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。すなわち、上記低温燃焼をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比のもとで行うことによって還元剤を供給し、上記ＮＯｘ再生処理または上記ＳＯｘ再生処理を行うことが可能である。
【００２４】
以上のことから、請求項２に記載の発明によれば、低負荷時（すなわち、機関運転状態が上記予め定めた負荷よりも低負荷の場合）において、効率的に上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。
なお、請求項２に記載の発明では、上記低負荷時に上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行う場合に、排気ガスが上記パティキュレートフィルタをバイパスするが、低温燃焼時の排気ガス中には特に排気微粒子が少ないので、上記パティキュレートフィルタをバイパスしても大きな問題とはならない。
【００２５】
請求項３に記載の発明では請求項１に記載の発明において、上記第１還元剤供給手段は、膨張行程または排気行程中に燃焼室内へ補助燃料を噴射することによって還元剤を供給する。
請求項３に記載の発明によっても請求項２に記載の発明と同様、低負荷時（すなわち、機関運転状態が上記予め定めた負荷よりも低負荷の場合）において、効率的に上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明では請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、更に、上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガスの流通方向を反転できる流通方向反転手段を有している。
請求項４に記載の発明によれば、上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガスの流通方向を反転することができる。これにより、通常使用時において、上記パティキュレートフィルタ内の位置による排気微粒子捕集量及びＳＯｘ保持量の偏りを緩和して、パティキュレートフィルタ及びそれに担持されているＳＯｘ保持剤を効率的に利用することができる。また、排気ガスの流通方向を反転することにより、フィルタの詰まりを防止する効果もある。
【００２７】
また、上記ＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理を行う場合に関しても、ＳＯｘ再生処理中に、もしくはＳＯｘ再生処理毎に、排気ガスの流通方向を反転することによって、ＳＯｘ再生処理の偏りを緩和して担持されているＳＯｘ保持剤の総てを効率的にＳＯｘ再生処理できる。
【００２８】
請求項５に記載の発明では請求項１から４の何れか一項に記載の発明において、上記ＳＯｘ保持剤に保持された硫黄分を離脱させるべき時には、上記第２制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第２バイパス通路を流通するようにされる。
請求項５に記載の発明のようにすることによって、上記ＳＯｘ保持剤から離脱された硫黄分（例えばＳＯｘ等）によって上記ＮＯｘ保持剤が硫黄被毒されるのを回避することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明はＮＯｘ保持剤であるＮＯｘ吸収剤とＮＯｘ吸着剤のどちらを用いても実施可能であるが、以下ではＮＯｘ吸収剤を用いた場合について説明する。
【００３０】
図１は本発明を筒内噴射型の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適用することもできる。
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は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して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に示される実施形態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。
【００３１】
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に連結される。排気タービン２１の出口には排気浄化装置１００が連結されるが、この排気浄化装置１００については後に図３から図５を参照しつつ詳細に説明する。
【００３２】
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に示される実施形態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。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。
【００３３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、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（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６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３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５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４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８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及び燃料ポンプ２８等に接続される。
【００３４】
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。なお、図２（Ａ）において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しており、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。図２（Ａ）に示される要求トルク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の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。本実施形態では図２（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌ及び機関回転数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る。
【００３５】
電子制御ユニット３０は、このように内燃機関の各構成要素と信号をやり取りして燃料噴射量制御等の機関の基本制御を行う他、本実施形態においては、排気浄化装置１００の各構成要素（後述する第１制御弁４８、第２制御弁５３、還元剤供給装置５６等）とも信号のやり取りを行い、後述する排気浄化装置１００についての制御（例えば、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ再生処理やＳＯｘ再生処理のための制御等）も行う。
【００３６】
次に排気浄化装置１００について説明する。図３から図５は、排気浄化装置１００の構成を説明するための図であり、排気浄化装置１００の内部の排気ガスの流れが示されている。図３に示されているように、排気浄化装置１００は、基幹通路４４と、基幹通路４４に接続された第１環状通路４５と第２環状通路４６とを有している。排気浄化装置１００に流入した排気ガスは、後に説明するように必ず基幹通路４４を通り、選択的に第１環状通路４５及び第２環状通路４６を通る。
【００３７】
第１環状通路４５にはＮＯｘ吸収剤４９が担持されたパティキュレートフィルタ（以下、「ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ」という）５０が配置されている。また、第２環状通路４６にはＮＯｘ吸収剤５１がハニカム状の担持体に担持されて配置されている（以下、「後段ＮＯｘ吸収剤５１」という）。更に基幹通路４４の終端の近くには酸化触媒５２がハニカム状の担持体に担持されて配置されている。
【００３８】
基幹通路４４と第１環状通路４５との接続部分には、第１制御弁４８が配置されている。第１制御弁４８にはステップモータ４７が接続される。ステップモータ４７は対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。そして、この第１制御弁４８を制御することによって、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガスの流通方向を反転することができる。また、第１制御弁４８を制御することによって上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガス量とこれをバイパスする排気ガス量との割合を制御することができ、結果としてこれら排気ガス量を制御することができる。次にこのような第１制御弁４８の作用について詳細に説明する。
【００３９】
すなわち、第１制御弁４８が図３に示されている第１動作位置に位置決めされると、排気ガスはまず基幹通路４４から第１環状通路４５の部分環状通路４５ａに流入する。そして、排気ガスはＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を介して第１環状通路４５の部分環状通路４５ｂに流出する。更に、排気ガスは第１制御弁４８のところへと戻り基幹通路４４内に流入する。
【００４０】
一方、第１制御弁４８が図４に示されている第２動作位置に位置決めされると、排気ガスはまず基幹通路４４から部分環状通路４５ｂに流入する。そして、排気ガスはＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を介して部分環状通路４５ａに流出する。更に、排気ガスは第１制御弁４８のところへと戻り基幹通路４４内に流入する。
このように、第１制御弁４８の動作位置を図３に示した第１動作位置と図４に示した第２動作位置との間で切替えることによって、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガスの流通方向を反転することができる。
【００４１】
更に、第１制御弁４８の動作位置が図５に示されている中立動作位置に位置決めされると、排気ガスは部分環状通路４５ａおよび４５ｂにはほとんど流入せず、ほとんど全ての排気ガスが第１制御弁４８下流の基幹通路４４に流入する。すなわち、この場合、排気ガスは上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（もしくは第１環状通路４５）をバイパスすることとなる。
【００４２】
そして、以上の説明からも明らかなように、上記第１及び第２動作位置と上記中立動作位置との間で第１制御弁４８を制御することにより、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガス量とこれをバイパスする排気ガス量との割合を制御することができ、結果としてこれら排気ガス量を制御することができる。
【００４３】
第１環状通路４５を通って、または第１環状通路４５をバイパスして第１制御弁４８下流の基幹通路４４に流入した排気ガスは、次いで基幹通路４４と第２環状通路４６との接続部分に到達する。図３に示されているように、この基幹通路４４と第２環状通路４５との接続部分には、第２制御弁５３が配置されている。第２制御弁５３にはステップモータ５４が接続される。ステップモータ５４は対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。そして、この第２制御弁５３を制御することによって、上記後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量とこれをバイパスする排気ガス量との割合を制御することができ、結果としてこれら排気ガス量を制御することができる。次にこの第２制御弁５３の作用について詳細に説明する。
【００４４】
すなわち、第２制御弁５３が図３に示されている第１動作位置に位置決めされると、排気ガスは基幹通路４４から第２環状通路４６の部分環状通路４６ａに流入する。そして、排気ガスは後段ＮＯｘ吸収剤５１を介して第２環状通路４６の部分環状通路４６ｂに流出する。更に、排気ガスは第２制御弁５３のところへと戻り基幹通路４４内に流入する。そして、排気ガスは更に下流に配置されている酸化触媒５２へ流入する。
【００４５】
一方、第２制御弁５３が図４に示されている第２動作位置に位置決めされると、排気ガスは第２環状通路４６（すなわち部分環状通路４６ａ）にはほとんど流入せず、ほとんど全ての排気ガスが第２制御弁５３下流の基幹通路４４に流入する。すなわち、この場合、排気ガスは上記後段ＮＯｘ吸収剤５１（もしくは第２環状通路４６）をバイパスすることとなる。
【００４６】
なお、第２環状通路４６の部分環状通路４６ａには、還元剤供給装置５６が設けられている。還元剤供給装置５６はＥＣＵ３０によって制御され、必要に応じて排気通路内へ、すなわち上記後段ＮＯｘ吸収剤５１へ流入する排気ガスへ還元剤を供給する。本実施形態においては、貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるため、還元剤として内燃機関の燃料である軽油を使用している。
【００４７】
図６にＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０の拡大断面図を示す。図６を参照すると、フィルタ５０は多孔質セラミックから成り、排気ガスは矢印で示されるように図中左から右に向かって流れる。フィルタ５０内には、上流側に栓５７が施された第１通路５８と下流側に栓５９が施された第２通路６０とが交互に配置されハニカム状をなしている。排気ガスが図中左から右に向かって流れると、排気ガスは第２通路６０から多孔質セラミックの隔壁を通過して第１通路５８に流入し、下流側に流れる。この時、排気ガス中の排気微粒子（パティキュレート）は多孔質セラミックによって捕集されて排気ガス中から除去され、排気微粒子の大気への放出が防止される。
【００４８】
第１通路５８及び第２通路６０の隔壁の表面及び内部の細孔内にはＮＯｘ吸収剤４９が担持されている。このＮＯｘ吸収剤４９は、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のような貴金属とから成る。ＮＯｘ吸収剤４９は流通する排気ガス（以下「吸収剤流通排気ガス」という）の空燃比がリーンの時にはＮＯｘを吸収し、吸収剤流通排気ガスの空燃比が小さくなり、且つ還元剤が存在していれば吸収したＮＯｘを放出して還元浄化する作用（ＮＯｘの吸収放出及び還元浄化作用）を有する。
【００４９】
図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では、通常時の排気ガス空燃比はリーンでありＮＯｘ吸収剤４９は排気ガス中のＮＯｘの吸収を行う。しかし、ＮＯｘ吸収剤４９のＮＯｘ吸収容量にも限界があるため、一定期間使用してＮＯｘ吸収剤４９の吸収能力が低下した時または低下する前に、内燃機関の燃焼制御等、何らかの手段により吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくすると共に還元剤の存在する状態にし、吸収剤４６に吸収されていたＮＯｘを放出し還元浄化する（すなわち、ＮＯｘ再生処理する）必要がある。
【００５０】
この吸収放出及び還元浄化作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もあるが、この吸収放出及び還元浄化作用は図７に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００５１】
すなわち、吸収剤流通排気ガスの空燃比がかなりリーンになると吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が大幅に増大し、図７（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２がＯ２ −またはＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、吸収剤流通排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −またはＯ２−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上で更に酸化されつつ吸収剤４６内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図７（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯｘ吸収剤４９内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤４９内に吸収される。
【００５２】
吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２が生成され、ＮＯｘ吸収剤４９のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ２がＮＯｘ吸収剤４９内に吸収されて硝酸イオンＮＯ３ −が生成される。これに対して吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ２）に進み、斯くしてＮＯｘ吸収剤４９内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２の形でＮＯｘ吸収剤４９から放出される。すなわち、吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が低下するとＮＯｘ吸収剤４９からＮＯｘが放出されることになる。吸収剤流通排気ガスのリーンの度合いが低くなれば吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって吸収剤流通排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯｘ吸収剤４６からＮＯｘが放出されることになる。
【００５３】
一方、この時吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくすると、ＨＣ、ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −またはＯ２−と反応して酸化せしめられる。また、吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくすると吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにＮＯｘ吸収剤４６からＮＯ２が放出され、このＮＯ２は図７（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元浄化せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２が存在しなくなるとＮＯｘ吸収剤４９から次から次へとＮＯ２が放出される。したがって吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくし、且つ還元剤が存在する状態にすると短時間のうちにＮＯｘ吸収剤４９からＮＯｘが放出されて還元浄化されることになる。
【００５４】
なお、ここでいう排気ガスの空燃比とは、そこよりも上流側の排気通路と燃焼室５または吸気通路に供給された空気と燃料との比率をいうものとする。したがって排気通路に空気や還元剤が供給されていない時には排気ガスの空燃比は機関の運転空燃比（機関の燃焼室５内の燃焼空燃比）に等しくなる。
【００５５】
次にＮＯｘ吸収剤４９の硫黄被毒のメカニズムについて説明する。排気ガス中にＳＯｘ成分が含まれていると、ＮＯｘ吸収剤４９は上述のＮＯｘの吸収と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを吸収する。すなわち、排気ガスの空燃比がリーンの時、排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ２）は白金Ｐｔ上で酸化されてＳＯ３ −、ＳＯ４ −となり、酸化バリウムＢａＯと結合してＢａＳＯ４を形成する。ＢａＳＯ４は比較的安定であり、また、結晶が粗大化しやすいため一旦生成されると分解放出されにくい。このため、ＮＯｘ吸収剤４９中のＢａＳＯ４の生成量が増大するとＮＯｘの吸収に関与できるＢａＯの量が減少してしまいＮＯｘの吸収能力が低下してしまう。
【００５６】
この硫黄被毒を解消するためには、ＮＯｘ吸収剤４９中に生成されたＢａＳＯ４を高温で分解するとともに、これにより生成されるＳＯ３ −、ＳＯ４ −の硫酸イオンをスライトリーンを含むほぼ理論空燃比またはリッチ雰囲気（以下、単に「リッチ雰囲気」という）下で還元し、気体状のＳＯ２に転換してＮＯｘ吸収剤４９から放出する（すなわち、ＳＯｘ再生処理する）必要がある。したがってＳＯｘ再生処理を行うためには、ＮＯｘ吸収剤４９を高温且つリッチ雰囲気の状態にすることが必要とされる。
【００５７】
なお、第２環状通路内に配置されている後段ＮＯｘ吸収剤５１も上述したＮＯｘ吸収剤４９と同様のものを使用しており、上述したようなメカニズムによりＮＯｘを吸収放出、還元浄化すると共にＳＯｘを吸収、放出する。すなわち、後段ＮＯｘ吸収剤５１についても、ＮＯｘ吸収剤４９と同様、ＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理を行う必要がある。
【００５８】
次に、以上のような構成を有する排気浄化装置１００の作動について説明する。まず、通常使用時において排気浄化装置１００は、第１制御弁４８が第１動作位置または第２動作位置に位置決めされ、第２制御弁５３が第１動作位置に位置決めされた状態で排気ガスの浄化を行う。図３は、通常使用時において第１制御弁４８が第１動作位置に位置決めされている場合を示している。
【００５９】
通常使用時において排気浄化装置１００に流入した排気ガスは、まずＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を通過する。そしてこの際、排気ガス中からＮＯｘ、ＳＯｘ及び排気微粒子が除去される。排気ガスは次いで後段ＮＯｘ吸収剤５１を通過する。そして、ここでは主にＮＯｘが除去される。これはＳＯｘについては、通常、先のＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０においてほとんど除去されているためである。すなわち、ここでＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）は、後段ＮＯｘ吸収剤５１が硫黄被毒するのを防止するためのＳＯｘ吸収剤（ＳＯｘ保持剤）として作用している。後段ＮＯｘ吸収剤５１を流出した排気ガスは最後に酸化触媒５２を通過する。そしてここで、排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ等が酸化されて浄化される。
【００６０】
また、通常使用時においては第１制御弁４８が、例えば定期的にあるいは機関運転状態が低負荷になった時に、第１動作位置と第２動作位置との間で切替えられる。この切替えにより、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガスの流通方向が反転されるが、こうすることによって、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０内の位置による排気微粒子捕集量及びＮＯｘ及びＳＯｘ吸収量の偏りを緩和して、フィルタ及びフィルタに担持されているＮＯｘ吸収剤４９を効率的に利用することができる。また、排気ガスの流通方向を反転することにより、フィルタの詰まりを防止する効果もある。
【００６１】
次に、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＮＯｘ再生処理する場合について説明する。この場合、ＮＯｘ吸収剤４９を流通する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比もしくはリッチにする必要があるが、本実施形態において、これは第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めした状態で、膨張行程または排気行程中に燃焼室５内へ補助燃料を噴射することによって実現される。あるいは、第１制御弁４８を同様な動作位置とし、いわゆる低温燃焼をほぼ理論空燃比もしくはリッチ空燃比のもとで行うことによって（すなわち、燃焼室５内における平均空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになるようにして低温燃焼を実施することによって）実現するようにしてもよい。
【００６２】
ここで低温燃焼について簡単に説明しておく。低温燃焼は、内燃機関の排気側から吸気側へ極めて大量の排気ガスを再循環させ、この再循環ガス（ＥＧＲガス）の吸熱作用によって燃料及びその周囲のガス温を比較的低温に保った状態で燃焼を行わせ、煤（スモーク）の発生を抑えるというものである。
【００６３】
すなわち、図１に示される内燃機関ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度は煤の発生量が急激に低下する。この煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率より高いＥＧＲ率で行われる燃焼が低温燃焼である。
【００６４】
また、低温燃焼はＥＧＲガスに限らず、吸熱作用を有するその他の不活性ガスを用いることによっても同様に行わせることができることから、以上のことを言い換えれば、低温燃焼とは燃焼室５の不活性ガス量を煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも多くした時に行われる燃焼であると言える。
【００６５】
なお、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＮＯｘ再生処理する場合の第１制御弁４８の動作位置は、排気ガス流通方向によって生じ得るＮＯｘ再生処理の偏りを緩和して担持されたＮＯｘ吸収剤４９の総てを効率的にＮＯｘ再生処理すべく、ＮＯｘ再生処理中に、もしくはＮＯｘ再生処理毎に第１動作位置と第２動作位置とで切替えられてもよい。
【００６６】
次に、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＳＯｘ再生処理する場合について説明する。この場合、ＮＯｘ吸収剤４９を流通する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比もしくはリッチにすると共に、ＮＯｘ吸収剤４９を硫黄分の放出が可能となる温度（すなわち、硫黄分放出温度）以上に昇温する必要がある。
【００６７】
本実施形態において、ＮＯｘ吸収剤４９をＳＯｘ再生処理する場合には、第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めし、第２制御弁５３を第２動作位置に位置決めした状態で、膨張行程または排気行程中に燃焼室５内へ補助燃料が噴射される。この燃料噴射制御は、上述のＮＯｘ再生処理の場合と同様の制御であるが、詳細には上記補助燃料の量を上述のＮＯｘ再生処理の場合よりも増量することによってＮＯｘ吸収剤４９の昇温を図るようにする。
【００６８】
あるいは、第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めし、第２制御弁５３を第２動作位置に位置決めした状態で、いわゆる低温燃焼をほぼ理論空燃比もしくはリッチ空燃比のもとで行うようにしてもＮＯｘ吸収剤４９をＳＯｘ再生処理することができる。この燃焼制御も、上述のＮＯｘ再生処理の場合と同様の制御であるが、低温燃焼が行われると排気ガス中に還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）が多くなり、その反応によってＮＯｘ吸収剤４９が昇温されるため、ＳＯｘ再生処理を良好に行うことができる。
【００６９】
なお、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＳＯｘ再生処理する場合の第１制御弁４８の動作位置は、排気ガス流通方向によって生じ得るＳＯｘ再生処理の偏りを緩和して担持されたＮＯｘ吸収剤４９の総てを効率的にＳＯｘ再生処理すべく、ＳＯｘ再生処理中に、もしくはＳＯｘ再生処理毎に第１動作位置と第２動作位置とで切替えられてもよい。
【００７０】
その一方、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＳＯｘ再生処理する場合において、第２制御弁５３の動作位置は第２動作位置に固定される。これは、排気ガスが後段ＮＯｘ吸収剤５１をバイパスするようにして、ＮＯｘ吸収剤４９から放出された硫黄分（ＳＯ２等）によって後段ＮＯｘ吸収剤５１が硫黄被毒するのを避けるためである。図４は、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）のＳＯｘ再生処理時において第１制御弁４８が第１動作位置に位置決めされている場合を示している。
【００７１】
次に、後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理する場合またはＳＯｘ再生処理する場合について説明する。この二つの場合における制御は、詳細には排気通路内に供給される還元剤の量等が相異する（後述する）が、全体としてはほぼ同様であるので以下で一緒に説明する。
【００７２】
本実施形態において後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合には、内燃機関の運転状態に応じて以下で説明する二つの方法のうちの何れかが選択され、その選択された方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理が行われる。
【００７３】
まず一つ目の方法は、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合に選択される方法であり、低温燃焼を利用する方法である。すなわち、この方法は、第１制御弁４８を中立位置に位置決めし、第２制御弁５３を第２動作位置に位置決めした状態で、低温燃焼をほぼ理論空燃比もしくはリッチ空燃比のもとで行うようにして後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理しようとするものである（図５参照）。
【００７４】
このようにすると、後段ＮＯｘ吸収剤５１に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比もしくはリッチになることは勿論であるが、排気ガスがＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０をバイパスして直接後段ＮＯｘ吸収剤５１に流入することになるので、後段ＮＯｘ吸収剤５１の昇温が容易になる。このため、この方法によりＳＯｘ再生処理も充分に行うことができる。また、ＮＯｘ吸収剤４９から放出されたＳＯｘによって後段ＮＯｘ吸収剤５１が硫黄被毒されること等も回避できる。なお、この方法では、排気ガスがＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０をバイパスするが、低温燃焼時の排気ガス中には排気微粒子が少ないので、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０をバイパスしても大きな問題とはならない。
【００７５】
そして二つ目の方法は、内燃機関の運転状態が比較的高負荷の場合に選択される方法であり、還元剤供給装置５６による還元剤の供給を利用する方法である。すなわち、この方法は、第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めした状態で、第２制御弁５３を制御して後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量を調整しつつ上記還元剤供給装置５６によって排気通路内に還元剤を供給するというものである（図８参照）。
【００７６】
ここでの上記排気ガス量の調整は、総排気ガス量の多い高負荷時において後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量を低減することを目的としたものである。これにより、後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガスの空燃比を所望の空燃比まで低下させるのに必要な還元剤量を低減することができ、燃費の悪化が抑制される。また、流通する排気ガス量が多いと、後段ＮＯｘ吸収剤５１の上流において還元剤を添加する方法では、後段ＮＯｘ吸収剤５１内に大きな温度差が生じ易い。このため、特にＳＯｘ再生処理を行う場合には、後段ＮＯｘ吸収剤５１のうちの上流側部分で昇温が不充分である一方、下流側部分が過昇温されてしまう場合が生じる。後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量を低減すれば、このような不都合も回避することができる。
【００７７】
また、この還元剤の供給を利用する方法において上記還元剤供給装置５６から供給される還元剤の量やその供給方法（例えば添加パターン）は、一般にＮＯｘ再生処理を実施する場合とＳＯｘ再生処理を実施する場合とで異なっている。すなわち、ＮＯｘ再生処理を実施する場合には後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比もしくはリッチになるような量及び方法とされる一方、ＳＯｘ再生処理を実施する場合には、排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比もしくはリッチにすると共に、後段ＮＯｘ吸収剤５１を硫黄分放出温度以上に昇温することができるような量及び方法とされる。したがって、通常、還元剤供給量はＳＯｘ再生処理を実施する場合の方が多くなる。
【００７８】
以上、説明したように、本実施形態においては、後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合には低温燃焼を利用する方法を採り、比較的高負荷の場合には排気通路への還元剤の供給を利用する方法を採るようにしている。これは、低温燃焼は、後段ＮＯｘ吸収剤５１を効率的にＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する上で好ましいのであるが、その性質上、燃料噴射量が少なく燃焼による発熱量が比較的少ない低負荷運転時に良好に実施することが可能であるためである。すなわち、本実施形態は、上述の二つの方法を選択的に用いることで、効率的にＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行うことと、広範な機関運転状態においてＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行うこととの両立を図っている。
【００７９】
ここで、どちらの方法でＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するかの判定については、例えば図９に示したようなマップに基づいて行われる。図９において、横軸は機関回転数Ｎであり、縦軸はアクセル踏込み量Ｌである。つまり、その時の運転状態が図９に示した機関回転数Ｎが比較的大きく且つアクセル踏込み量Ｌが比較的大きい領域Ｈにある場合には還元剤の供給を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するようにする。逆に、その時の運転状態が図９において領域Ｓにある場合には低温燃焼を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するようにする。図９のマップは低温燃焼を良好に実施できる範囲に基づいて予め作成しＲＯＭ３２に記憶させておく。
【００８０】
なお、他の実施形態においては、上述したようなＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理の方法を機関運転状態に応じて選択するという方法を、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理についても適用してよい。すなわち、例えば、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合にはＮＯｘ吸収剤４９に関して上述した低温燃焼を利用する方法を採り、比較的高負荷の場合にはＮＯｘ吸収剤４９に関して上述した補助燃料噴射を利用する方法を採るようにする。
【００８１】
また、上述の実施形態では、後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合には低温燃焼を利用してＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理が実施されたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、他の実施形態においては上記低温燃焼を実施することの代わりに、例えば、膨張行程または排気行程中に燃焼室内へ補助燃料を噴射することによって後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するようにしてもよい。なお、この場合における第１制御弁４８及び第２制御弁５３の動作位置は上述した低温燃焼を利用してＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合と同様である。
【００８２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯｘ保持剤の硫黄被毒防止用のＳＯｘ保持剤を有する排気浄化装置において、ＮＯｘ保持剤を効率良くＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理できる排気浄化装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を筒内噴射型の圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示す図である。
【図２】図２は、機関の要求トルクを示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態の排気浄化装置を示した説明図であり、通常使用時（排気ガス浄化時）における排気ガスの流れの一例を示している。
【図４】図４は、図３と同様の図であって、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタのＳＯｘ再生処理時における排気ガスの流れの一例を示している。
【図５】図５は、図３及び図４と同様の図であって、第２環状通路にあるＮＯｘ吸収剤を、低温燃焼を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合の排気ガスの流れの一例を示している。
【図６】図６は、ＮＯｘ吸収剤が担持されたパティキュレートフィルタの拡大断面図である。
【図７】図７は、ＮＯｘの吸収放出及び還元浄化作用を説明するための図である。
【図８】図８は、図３から図５と同様の図であって、第２環状通路にあるＮＯｘ吸収剤を、排気通路への還元剤の供給を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合の排気ガスの流れの一例を示している。
【図９】図９は、第２環状通路にあるＮＯｘ吸収剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する方法を決定するために使用され得るマップである。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…電気制御式燃料噴射弁
３０…電子制御ユニット
４５…第１環状通路
４６…第２環状通路
４８…第１制御弁
５０…ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ
５１…ＮＯｘ吸収剤
５２…酸化触媒
５３…第２制御弁
５６…還元剤供給装置
１００…排気浄化装置
【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】
一般に、自動車等に搭載される筒内噴射型の内燃機関、例えばディーゼル機関では、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することが要求されている。そしてこのような要求に対し、ＮＯｘ保持剤を内燃機関の排気通路に配置する方式の排気浄化装置が提案されている。
【０００３】
このような排気浄化装置に用いられるＮＯｘ保持剤は、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にはその排気ガス中のＮＯｘを保持し、排気ガス中の空燃比が小さくなり、且つ排気ガス中にＨＣやＣＯ等の還元剤が存在していれば保持していたＮＯｘを離脱させ還元浄化する作用（ＮＯｘの保持離脱及び還元浄化作用）を有する。そして、この作用を利用して、排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ保持剤に保持させ、一定期間使用してＮＯｘ保持剤の保持能力が低下した時または低下する前にＮＯｘ保持剤に保持したＮＯｘを還元浄化する、すなわちＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理するようにしている。
【０００４】
なお、本明細書において「保持」という語は「吸収」及び「吸着」の両方の意味を含むものとして用いる。したがって、「ＮＯｘ保持剤」は、「ＮＯｘ吸収剤」と「ＮＯｘ吸着剤」の両方を含み、前者はＮＯｘを硝酸塩等の形で蓄積し、後者はＮＯ２等の形で吸着する。また、ＮＯｘ保持剤からの「離脱」という語についても、「吸収」に対応する「放出」の他、「吸着」に対応する「脱離」の意味も含むものとして用いる。
【０００５】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄（Ｓ）成分が含まれている場合があり、この場合には排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれることとなる。排気ガス中にＳＯｘが存在するとＮＯｘ保持剤はＮＯｘの保持作用を行うのと全く同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを保持する。
【０００６】
ところが、ＮＯｘ保持剤に保持されたＳＯｘは比較的安定であり、一般にＮＯｘ保持剤に蓄積されやすい傾向がある。ＮＯｘ保持剤のＳＯｘ蓄積量が増大すると、ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ保持容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなるため、ＮＯｘの浄化効率が低下するいわゆる硫黄被毒（Ｓ被毒）の問題が生じる。特に、燃料として比較的硫黄成分を多く含む軽油を使用するディーゼルエンジンにおいてはこの硫黄被毒の問題が生じやすい。
【０００７】
そこで、上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ保持能力を長期にわたって高く維持するために、ＮＯｘ保持剤よりも上流に、排気ガス中のＳＯｘを保持するＳＯｘ保持剤を配置し、ＮＯｘ保持剤にＳＯｘが流れ込まないようにして硫黄被毒の防止を図った排気浄化装置が開発されている。
【０００８】
このようなＳＯｘ保持剤は、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にはその排気ガス中のＳＯｘを保持し、排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると保持したＳＯｘを離脱させるというものである。しかし、このＳＯｘ保持剤のＳＯｘ保持容量にも限界があるため、ＳＯｘ保持剤が飽和する前にＳＯｘ保持剤から積極的に硫黄分を離脱させる処理、すなわちＳＯｘ再生処理を実行する必要がある。そのため、ＮＯｘ保持剤の上流側にＳＯｘ保持剤を配置した構成の上記のような排気浄化装置には、通常、ＮＯｘ保持剤をバイパスするバイパス通路が設けられており、ＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理中には排気ガスがバイパス通路を通ってＮＯｘ保持剤をバイパスするようにされ、ＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理に伴うＮＯｘ保持剤の硫黄被毒を防止するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
このように、ＮＯｘ保持剤の上流側にＳＯｘ保持剤を配置した構成の上記のような排気浄化装置においては、理想的には下流のＮＯｘ保持剤にＳＯｘが流入することがなく硫黄被毒されることはない。しかしながら、実際には、例えばＳＯｘ保持剤の保持能力を超える大量のＳＯｘが一気にＳＯｘ保持剤に流入した場合等、様々な理由でＳＯｘがＮＯｘ保持剤に流入する場合がある。したがって、頻度は少ないものの、ＮＯｘ保持剤についてもＳＯｘ再生処理を行う必要がある。
【００１０】
ＮＯｘ保持剤に保持されているＳＯｘについても、ＮＯｘと同じメカニズムで離脱させることが可能である。しかし、ＳＯｘは比較的安定した形でＮＯｘ保持剤に保持されるため、通常のＮＯｘの還元浄化制御が行われる温度（例えば２５０℃程度以上）ではＮＯｘ保持剤に保持されたＳＯｘを放出等させることは困難である。このため、ＮＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理を行うためには、ＮＯｘ保持剤を通常のＮＯｘ還元浄化制御時より高い温度、すなわち硫黄分放出温度（例えば６００℃以上）に昇温し、且つ流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチにする必要がある。
【００１１】
以上、説明したように、上記ＮＯｘ保持剤はＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理の必要がある。そして、これらを効率的に実施する方法としては内燃機関における燃料噴射制御や燃焼制御を利用する方法が知られている。すなわち例えば、膨張行程または排気行程中に燃焼室内へ補助燃料を噴射することによって、あるいはいわゆる低温燃焼をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比のもとで行うことによって上記ＮＯｘ再生処理または上記ＳＯｘ再生処理を行うようにする。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−２７４２３０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３４１３号公報
【特許文献３】
特開２０００−３２８９２８号公報
【特許文献４】
特開２００１−１６６０８９号公報
【特許文献５】
特開平１１−３６９２３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＮＯｘ保持剤の上流側にＳＯｘ保持剤を配置した構成の上記のような排気浄化装置においては、これらの方法によって下流側のＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理しようとすると様々な不都合が生じる。すなわち例えば、これらの方法によってＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理しようとすると、上流側にあるＳＯｘ保持剤からＳＯｘの離脱が起こり、そのＳＯｘがＮＯｘ保持剤に流入してＮＯｘ保持剤が硫黄被毒されてしまう可能性がある。そしてこのような硫黄被毒を避けようとすると、ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理の実施可能時期が上流側にあるＳＯｘ保持剤からのＳＯｘの離脱が少ないと考えられるＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理完了直後に限られてしまう。また、上記の方法によってＮＯｘ保持剤をＳＯｘ再生処理しようとした場合には、上流側にＳＯｘ保持剤があるために下流側にあるＮＯｘ保持剤の昇温が不充分になり、充分なＳＯｘ再生処理を行うことが困難となる。
【００１４】
本発明は、上述したような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、ＮＯｘ保持剤の硫黄被毒防止用のＳＯｘ保持剤を有する排気浄化装置において、ＮＯｘ保持剤を効率良くＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理できる排気浄化装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路内に配置されたＳＯｘ保持剤が担持されたパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタをバイパスするように構成された第１バイパス通路と、上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガス量と上記第１バイパス通路を流通する排気ガス量との割合を制御する第１制御弁と、上記第１バイパス通路の始端よりも上流において還元剤を供給する第１還元剤供給手段と、上記第１バイパス通路の終端よりも下流において排気通路内に配置されたＮＯｘ保持剤と、該ＮＯｘ保持剤をバイパスするように構成された第２バイパス通路と、上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量と上記第２バイパス通路を流通する排気ガス量との割合を制御する第２制御弁と、上記ＮＯｘ保持剤へ流入する排気ガスへ還元剤を供給する第２還元剤供給手段と、を具備する内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯｘ保持剤に保持されたＮＯｘを離脱させ還元すべき時または上記ＮＯｘ保持剤に保持された硫黄分を離脱させるべき時には、機関運転状態が検出され、検出された機関運転状態が予め定めた負荷よりも低負荷の場合には、上記第１還元剤供給手段によって還元剤が供給されると共に上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第１バイパス通路を流通するようにされ、且つ、上記第２制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記ＮＯｘ保持剤を流通するようにされる一方、検出された機関運転状態が予め定めた負荷よりも高負荷の場合には、上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記パティキュレートフィルタを流通するようにされると共に、上記第２制御弁によって上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量を調整しつつ上記第２還元剤供給手段によって還元剤が供給される、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合、例えば内燃機関における燃料噴射制御や燃焼制御を利用して、還元剤を機関本体から供給するようにすると、これらの処理を効率的に実施できる。そして、このような方法によるＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理は、発生する排気ガス量が少なく、また燃料噴射量の少ない低負荷時に良好に実施できることがわかっている。
【００１８】
一方、ＮＯｘ保持剤の硫黄被毒対策等のためにＳＯｘ保持剤がＮＯｘ保持剤の上流側に配置されている構成においては、上記のような方法で下流側のＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理しようとすると、排気ガスがＳＯｘ保持剤を通過してからＮＯｘ保持剤に流入することになるために様々な不都合が生じる。すなわち、例えば上流側にあるＳＯｘ保持剤から離脱したＳＯｘによってＮＯｘ保持剤が硫黄被毒されてしまったり、ＮＯｘ保持剤の昇温が不充分になってしまう場合がある。
【００１９】
これに対し、請求項１に記載の発明では、上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第１バイパス通路を流通するようにすることができるので、低負荷時（すなわち、機関運転状態が上記予め定めた負荷よりも低負荷の場合）において、上記のような不都合を生じることなく、効率的に上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。
【００２０】
また、請求項１に記載の発明では、機関運転状態が予め定めた負荷よりも高負荷の場合には、上記第２還元剤供給手段により還元剤を供給することによって上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理が図られる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、広範な機関運転状態において上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行うことができる。更に、この高負荷時において上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理すべく還元剤を供給する際には、上記第２制御弁によって上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量が調整され、燃費悪化が抑制される。
【００２１】
請求項２に記載の発明では請求項１に記載の発明において、上記内燃機関は、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、上記第１還元剤供給手段は、燃焼室内における平均空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになるようにすると共に燃焼室内の不活性ガス量が煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも多くなるようにすることによって還元剤を供給する。
【００２２】
燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる内燃機関においては、燃焼室内の不活性ガス量を煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも多くするといわゆる低温燃焼を行うことができる。
【００２３】
そしてこの低温燃焼は、その性質上、燃料噴射量が少なく燃焼による発熱量が比較的少ない低負荷時に良好に実施することが可能なのであるが、この低温燃焼を利用して排気通路内に配置されたＮＯｘ保持剤を効率的にＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。すなわち、上記低温燃焼をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比のもとで行うことによって還元剤を供給し、上記ＮＯｘ再生処理または上記ＳＯｘ再生処理を行うことが可能である。
【００２４】
以上のことから、請求項２に記載の発明によれば、低負荷時（すなわち、機関運転状態が上記予め定めた負荷よりも低負荷の場合）において、効率的に上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。
なお、請求項２に記載の発明では、上記低負荷時に上記ＮＯｘ保持剤のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行う場合に、排気ガスが上記パティキュレートフィルタをバイパスするが、低温燃焼時の排気ガス中には特に排気微粒子が少ないので、上記パティキュレートフィルタをバイパスしても大きな問題とはならない。
【００２５】
請求項３に記載の発明では請求項１に記載の発明において、上記第１還元剤供給手段は、膨張行程または排気行程中に燃焼室内へ補助燃料を噴射することによって還元剤を供給する。
請求項３に記載の発明によっても請求項２に記載の発明と同様、低負荷時（すなわち、機関運転状態が上記予め定めた負荷よりも低負荷の場合）において、効率的に上記ＮＯｘ保持剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理することができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明では請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、更に、上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガスの流通方向を反転できる流通方向反転手段を有している。
請求項４に記載の発明によれば、上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガスの流通方向を反転することができる。これにより、通常使用時において、上記パティキュレートフィルタ内の位置による排気微粒子捕集量及びＳＯｘ保持量の偏りを緩和して、パティキュレートフィルタ及びそれに担持されているＳＯｘ保持剤を効率的に利用することができる。また、排気ガスの流通方向を反転することにより、フィルタの詰まりを防止する効果もある。
【００２７】
また、上記ＳＯｘ保持剤のＳＯｘ再生処理を行う場合に関しても、ＳＯｘ再生処理中に、もしくはＳＯｘ再生処理毎に、排気ガスの流通方向を反転することによって、ＳＯｘ再生処理の偏りを緩和して担持されているＳＯｘ保持剤の総てを効率的にＳＯｘ再生処理できる。
【００２８】
請求項５に記載の発明では請求項１から４の何れか一項に記載の発明において、上記ＳＯｘ保持剤に保持された硫黄分を離脱させるべき時には、上記第２制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第２バイパス通路を流通するようにされる。
請求項５に記載の発明のようにすることによって、上記ＳＯｘ保持剤から離脱された硫黄分（例えばＳＯｘ等）によって上記ＮＯｘ保持剤が硫黄被毒されるのを回避することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明はＮＯｘ保持剤であるＮＯｘ吸収剤とＮＯｘ吸着剤のどちらを用いても実施可能であるが、以下ではＮＯｘ吸収剤を用いた場合について説明する。
【００３０】
図１は本発明を筒内噴射型の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適用することもできる。
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は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して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に示される実施形態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。
【００３１】
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に連結される。排気タービン２１の出口には排気浄化装置１００が連結されるが、この排気浄化装置１００については後に図３から図５を参照しつつ詳細に説明する。
【００３２】
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に示される実施形態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。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。
【００３３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、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（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６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３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５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４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８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及び燃料ポンプ２８等に接続される。
【００３４】
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。なお、図２（Ａ）において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しており、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。図２（Ａ）に示される要求トルク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の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。本実施形態では図２（Ｂ）に示すマップからアクセルペダル４０の踏込み量Ｌ及び機関回転数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る。
【００３５】
電子制御ユニット３０は、このように内燃機関の各構成要素と信号をやり取りして燃料噴射量制御等の機関の基本制御を行う他、本実施形態においては、排気浄化装置１００の各構成要素（後述する第１制御弁４８、第２制御弁５３、還元剤供給装置５６等）とも信号のやり取りを行い、後述する排気浄化装置１００についての制御（例えば、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ再生処理やＳＯｘ再生処理のための制御等）も行う。
【００３６】
次に排気浄化装置１００について説明する。図３から図５は、排気浄化装置１００の構成を説明するための図であり、排気浄化装置１００の内部の排気ガスの流れが示されている。図３に示されているように、排気浄化装置１００は、基幹通路４４と、基幹通路４４に接続された第１環状通路４５と第２環状通路４６とを有している。排気浄化装置１００に流入した排気ガスは、後に説明するように必ず基幹通路４４を通り、選択的に第１環状通路４５及び第２環状通路４６を通る。
【００３７】
第１環状通路４５にはＮＯｘ吸収剤４９が担持されたパティキュレートフィルタ（以下、「ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ」という）５０が配置されている。また、第２環状通路４６にはＮＯｘ吸収剤５１がハニカム状の担持体に担持されて配置されている（以下、「後段ＮＯｘ吸収剤５１」という）。更に基幹通路４４の終端の近くには酸化触媒５２がハニカム状の担持体に担持されて配置されている。
【００３８】
基幹通路４４と第１環状通路４５との接続部分には、第１制御弁４８が配置されている。第１制御弁４８にはステップモータ４７が接続される。ステップモータ４７は対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。そして、この第１制御弁４８を制御することによって、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガスの流通方向を反転することができる。また、第１制御弁４８を制御することによって上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガス量とこれをバイパスする排気ガス量との割合を制御することができ、結果としてこれら排気ガス量を制御することができる。次にこのような第１制御弁４８の作用について詳細に説明する。
【００３９】
すなわち、第１制御弁４８が図３に示されている第１動作位置に位置決めされると、排気ガスはまず基幹通路４４から第１環状通路４５の部分環状通路４５ａに流入する。そして、排気ガスはＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を介して第１環状通路４５の部分環状通路４５ｂに流出する。更に、排気ガスは第１制御弁４８のところへと戻り基幹通路４４内に流入する。
【００４０】
一方、第１制御弁４８が図４に示されている第２動作位置に位置決めされると、排気ガスはまず基幹通路４４から部分環状通路４５ｂに流入する。そして、排気ガスはＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を介して部分環状通路４５ａに流出する。更に、排気ガスは第１制御弁４８のところへと戻り基幹通路４４内に流入する。
このように、第１制御弁４８の動作位置を図３に示した第１動作位置と図４に示した第２動作位置との間で切替えることによって、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガスの流通方向を反転することができる。
【００４１】
更に、第１制御弁４８の動作位置が図５に示されている中立動作位置に位置決めされると、排気ガスは部分環状通路４５ａおよび４５ｂにはほとんど流入せず、ほとんど全ての排気ガスが第１制御弁４８下流の基幹通路４４に流入する。すなわち、この場合、排気ガスは上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（もしくは第１環状通路４５）をバイパスすることとなる。
【００４２】
そして、以上の説明からも明らかなように、上記第１及び第２動作位置と上記中立動作位置との間で第１制御弁４８を制御することにより、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガス量とこれをバイパスする排気ガス量との割合を制御することができ、結果としてこれら排気ガス量を制御することができる。
【００４３】
第１環状通路４５を通って、または第１環状通路４５をバイパスして第１制御弁４８下流の基幹通路４４に流入した排気ガスは、次いで基幹通路４４と第２環状通路４６との接続部分に到達する。図３に示されているように、この基幹通路４４と第２環状通路４５との接続部分には、第２制御弁５３が配置されている。第２制御弁５３にはステップモータ５４が接続される。ステップモータ５４は対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続される。そして、この第２制御弁５３を制御することによって、上記後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量とこれをバイパスする排気ガス量との割合を制御することができ、結果としてこれら排気ガス量を制御することができる。次にこの第２制御弁５３の作用について詳細に説明する。
【００４４】
すなわち、第２制御弁５３が図３に示されている第１動作位置に位置決めされると、排気ガスは基幹通路４４から第２環状通路４６の部分環状通路４６ａに流入する。そして、排気ガスは後段ＮＯｘ吸収剤５１を介して第２環状通路４６の部分環状通路４６ｂに流出する。更に、排気ガスは第２制御弁５３のところへと戻り基幹通路４４内に流入する。そして、排気ガスは更に下流に配置されている酸化触媒５２へ流入する。
【００４５】
一方、第２制御弁５３が図４に示されている第２動作位置に位置決めされると、排気ガスは第２環状通路４６（すなわち部分環状通路４６ａ）にはほとんど流入せず、ほとんど全ての排気ガスが第２制御弁５３下流の基幹通路４４に流入する。すなわち、この場合、排気ガスは上記後段ＮＯｘ吸収剤５１（もしくは第２環状通路４６）をバイパスすることとなる。
【００４６】
なお、第２環状通路４６の部分環状通路４６ａには、還元剤供給装置５６が設けられている。還元剤供給装置５６はＥＣＵ３０によって制御され、必要に応じて排気通路内へ、すなわち上記後段ＮＯｘ吸収剤５１へ流入する排気ガスへ還元剤を供給する。本実施形態においては、貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるため、還元剤として内燃機関の燃料である軽油を使用している。
【００４７】
図６にＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０の拡大断面図を示す。図６を参照すると、フィルタ５０は多孔質セラミックから成り、排気ガスは矢印で示されるように図中左から右に向かって流れる。フィルタ５０内には、上流側に栓５７が施された第１通路５８と下流側に栓５９が施された第２通路６０とが交互に配置されハニカム状をなしている。排気ガスが図中左から右に向かって流れると、排気ガスは第２通路６０から多孔質セラミックの隔壁を通過して第１通路５８に流入し、下流側に流れる。この時、排気ガス中の排気微粒子（パティキュレート）は多孔質セラミックによって捕集されて排気ガス中から除去され、排気微粒子の大気への放出が防止される。
【００４８】
第１通路５８及び第２通路６０の隔壁の表面及び内部の細孔内にはＮＯｘ吸収剤４９が担持されている。このＮＯｘ吸収剤４９は、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のような貴金属とから成る。ＮＯｘ吸収剤４９は流通する排気ガス（以下「吸収剤流通排気ガス」という）の空燃比がリーンの時にはＮＯｘを吸収し、吸収剤流通排気ガスの空燃比が小さくなり、且つ還元剤が存在していれば吸収したＮＯｘを放出して還元浄化する作用（ＮＯｘの吸収放出及び還元浄化作用）を有する。
【００４９】
図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では、通常時の排気ガス空燃比はリーンでありＮＯｘ吸収剤４９は排気ガス中のＮＯｘの吸収を行う。しかし、ＮＯｘ吸収剤４９のＮＯｘ吸収容量にも限界があるため、一定期間使用してＮＯｘ吸収剤４９の吸収能力が低下した時または低下する前に、内燃機関の燃焼制御等、何らかの手段により吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくすると共に還元剤の存在する状態にし、吸収剤４６に吸収されていたＮＯｘを放出し還元浄化する（すなわち、ＮＯｘ再生処理する）必要がある。
【００５０】
この吸収放出及び還元浄化作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もあるが、この吸収放出及び還元浄化作用は図７に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００５１】
すなわち、吸収剤流通排気ガスの空燃比がかなりリーンになると吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が大幅に増大し、図７（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２がＯ２ −またはＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、吸収剤流通排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −またはＯ２−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上で更に酸化されつつ吸収剤４６内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図７（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯｘ吸収剤４９内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤４９内に吸収される。
【００５２】
吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２が生成され、ＮＯｘ吸収剤４９のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ２がＮＯｘ吸収剤４９内に吸収されて硝酸イオンＮＯ３ −が生成される。これに対して吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ２）に進み、斯くしてＮＯｘ吸収剤４９内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２の形でＮＯｘ吸収剤４９から放出される。すなわち、吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が低下するとＮＯｘ吸収剤４９からＮＯｘが放出されることになる。吸収剤流通排気ガスのリーンの度合いが低くなれば吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって吸収剤流通排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯｘ吸収剤４６からＮＯｘが放出されることになる。
【００５３】
一方、この時吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくすると、ＨＣ、ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −またはＯ２−と反応して酸化せしめられる。また、吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくすると吸収剤流通排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにＮＯｘ吸収剤４６からＮＯ２が放出され、このＮＯ２は図７（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元浄化せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２が存在しなくなるとＮＯｘ吸収剤４９から次から次へとＮＯ２が放出される。したがって吸収剤流通排気ガスの空燃比を小さくし、且つ還元剤が存在する状態にすると短時間のうちにＮＯｘ吸収剤４９からＮＯｘが放出されて還元浄化されることになる。
【００５４】
なお、ここでいう排気ガスの空燃比とは、そこよりも上流側の排気通路と燃焼室５または吸気通路に供給された空気と燃料との比率をいうものとする。したがって排気通路に空気や還元剤が供給されていない時には排気ガスの空燃比は機関の運転空燃比（機関の燃焼室５内の燃焼空燃比）に等しくなる。
【００５５】
次にＮＯｘ吸収剤４９の硫黄被毒のメカニズムについて説明する。排気ガス中にＳＯｘ成分が含まれていると、ＮＯｘ吸収剤４９は上述のＮＯｘの吸収と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘを吸収する。すなわち、排気ガスの空燃比がリーンの時、排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ２）は白金Ｐｔ上で酸化されてＳＯ３ −、ＳＯ４ −となり、酸化バリウムＢａＯと結合してＢａＳＯ４を形成する。ＢａＳＯ４は比較的安定であり、また、結晶が粗大化しやすいため一旦生成されると分解放出されにくい。このため、ＮＯｘ吸収剤４９中のＢａＳＯ４の生成量が増大するとＮＯｘの吸収に関与できるＢａＯの量が減少してしまいＮＯｘの吸収能力が低下してしまう。
【００５６】
この硫黄被毒を解消するためには、ＮＯｘ吸収剤４９中に生成されたＢａＳＯ４を高温で分解するとともに、これにより生成されるＳＯ３ −、ＳＯ４ −の硫酸イオンをスライトリーンを含むほぼ理論空燃比またはリッチ雰囲気（以下、単に「リッチ雰囲気」という）下で還元し、気体状のＳＯ２に転換してＮＯｘ吸収剤４９から放出する（すなわち、ＳＯｘ再生処理する）必要がある。したがってＳＯｘ再生処理を行うためには、ＮＯｘ吸収剤４９を高温且つリッチ雰囲気の状態にすることが必要とされる。
【００５７】
なお、第２環状通路内に配置されている後段ＮＯｘ吸収剤５１も上述したＮＯｘ吸収剤４９と同様のものを使用しており、上述したようなメカニズムによりＮＯｘを吸収放出、還元浄化すると共にＳＯｘを吸収、放出する。すなわち、後段ＮＯｘ吸収剤５１についても、ＮＯｘ吸収剤４９と同様、ＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理を行う必要がある。
【００５８】
次に、以上のような構成を有する排気浄化装置１００の作動について説明する。まず、通常使用時において排気浄化装置１００は、第１制御弁４８が第１動作位置または第２動作位置に位置決めされ、第２制御弁５３が第１動作位置に位置決めされた状態で排気ガスの浄化を行う。図３は、通常使用時において第１制御弁４８が第１動作位置に位置決めされている場合を示している。
【００５９】
通常使用時において排気浄化装置１００に流入した排気ガスは、まずＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を通過する。そしてこの際、排気ガス中からＮＯｘ、ＳＯｘ及び排気微粒子が除去される。排気ガスは次いで後段ＮＯｘ吸収剤５１を通過する。そして、ここでは主にＮＯｘが除去される。これはＳＯｘについては、通常、先のＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０においてほとんど除去されているためである。すなわち、ここでＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）は、後段ＮＯｘ吸収剤５１が硫黄被毒するのを防止するためのＳＯｘ吸収剤（ＳＯｘ保持剤）として作用している。後段ＮＯｘ吸収剤５１を流出した排気ガスは最後に酸化触媒５２を通過する。そしてここで、排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ等が酸化されて浄化される。
【００６０】
また、通常使用時においては第１制御弁４８が、例えば定期的にあるいは機関運転状態が低負荷になった時に、第１動作位置と第２動作位置との間で切替えられる。この切替えにより、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０を流通する排気ガスの流通方向が反転されるが、こうすることによって、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０内の位置による排気微粒子捕集量及びＮＯｘ及びＳＯｘ吸収量の偏りを緩和して、フィルタ及びフィルタに担持されているＮＯｘ吸収剤４９を効率的に利用することができる。また、排気ガスの流通方向を反転することにより、フィルタの詰まりを防止する効果もある。
【００６１】
次に、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＮＯｘ再生処理する場合について説明する。この場合、ＮＯｘ吸収剤４９を流通する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比もしくはリッチにする必要があるが、本実施形態において、これは第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めした状態で、膨張行程または排気行程中に燃焼室５内へ補助燃料を噴射することによって実現される。あるいは、第１制御弁４８を同様な動作位置とし、いわゆる低温燃焼をほぼ理論空燃比もしくはリッチ空燃比のもとで行うことによって（すなわち、燃焼室５内における平均空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになるようにして低温燃焼を実施することによって）実現するようにしてもよい。
【００６２】
ここで低温燃焼について簡単に説明しておく。低温燃焼は、内燃機関の排気側から吸気側へ極めて大量の排気ガスを再循環させ、この再循環ガス（ＥＧＲガス）の吸熱作用によって燃料及びその周囲のガス温を比較的低温に保った状態で燃焼を行わせ、煤（スモーク）の発生を抑えるというものである。
【００６３】
すなわち、図１に示される内燃機関ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度は煤の発生量が急激に低下する。この煤の発生量がピークとなるＥＧＲ率より高いＥＧＲ率で行われる燃焼が低温燃焼である。
【００６４】
また、低温燃焼はＥＧＲガスに限らず、吸熱作用を有するその他の不活性ガスを用いることによっても同様に行わせることができることから、以上のことを言い換えれば、低温燃焼とは燃焼室５の不活性ガス量を煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも多くした時に行われる燃焼であると言える。
【００６５】
なお、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＮＯｘ再生処理する場合の第１制御弁４８の動作位置は、排気ガス流通方向によって生じ得るＮＯｘ再生処理の偏りを緩和して担持されたＮＯｘ吸収剤４９の総てを効率的にＮＯｘ再生処理すべく、ＮＯｘ再生処理中に、もしくはＮＯｘ再生処理毎に第１動作位置と第２動作位置とで切替えられてもよい。
【００６６】
次に、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＳＯｘ再生処理する場合について説明する。この場合、ＮＯｘ吸収剤４９を流通する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比もしくはリッチにすると共に、ＮＯｘ吸収剤４９を硫黄分の放出が可能となる温度（すなわち、硫黄分放出温度）以上に昇温する必要がある。
【００６７】
本実施形態において、ＮＯｘ吸収剤４９をＳＯｘ再生処理する場合には、第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めし、第２制御弁５３を第２動作位置に位置決めした状態で、膨張行程または排気行程中に燃焼室５内へ補助燃料が噴射される。この燃料噴射制御は、上述のＮＯｘ再生処理の場合と同様の制御であるが、詳細には上記補助燃料の量を上述のＮＯｘ再生処理の場合よりも増量することによってＮＯｘ吸収剤４９の昇温を図るようにする。
【００６８】
あるいは、第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めし、第２制御弁５３を第２動作位置に位置決めした状態で、いわゆる低温燃焼をほぼ理論空燃比もしくはリッチ空燃比のもとで行うようにしてもＮＯｘ吸収剤４９をＳＯｘ再生処理することができる。この燃焼制御も、上述のＮＯｘ再生処理の場合と同様の制御であるが、低温燃焼が行われると排気ガス中に還元剤（ＨＣ、ＣＯ等）が多くなり、その反応によってＮＯｘ吸収剤４９が昇温されるため、ＳＯｘ再生処理を良好に行うことができる。
【００６９】
なお、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＳＯｘ再生処理する場合の第１制御弁４８の動作位置は、排気ガス流通方向によって生じ得るＳＯｘ再生処理の偏りを緩和して担持されたＮＯｘ吸収剤４９の総てを効率的にＳＯｘ再生処理すべく、ＳＯｘ再生処理中に、もしくはＳＯｘ再生処理毎に第１動作位置と第２動作位置とで切替えられてもよい。
【００７０】
その一方、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）をＳＯｘ再生処理する場合において、第２制御弁５３の動作位置は第２動作位置に固定される。これは、排気ガスが後段ＮＯｘ吸収剤５１をバイパスするようにして、ＮＯｘ吸収剤４９から放出された硫黄分（ＳＯ２等）によって後段ＮＯｘ吸収剤５１が硫黄被毒するのを避けるためである。図４は、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）のＳＯｘ再生処理時において第１制御弁４８が第１動作位置に位置決めされている場合を示している。
【００７１】
次に、後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理する場合またはＳＯｘ再生処理する場合について説明する。この二つの場合における制御は、詳細には排気通路内に供給される還元剤の量等が相異する（後述する）が、全体としてはほぼ同様であるので以下で一緒に説明する。
【００７２】
本実施形態において後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合には、内燃機関の運転状態に応じて以下で説明する二つの方法のうちの何れかが選択され、その選択された方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理が行われる。
【００７３】
まず一つ目の方法は、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合に選択される方法であり、低温燃焼を利用する方法である。すなわち、この方法は、第１制御弁４８を中立位置に位置決めし、第２制御弁５３を第２動作位置に位置決めした状態で、低温燃焼をほぼ理論空燃比もしくはリッチ空燃比のもとで行うようにして後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理しようとするものである（図５参照）。
【００７４】
このようにすると、後段ＮＯｘ吸収剤５１に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比もしくはリッチになることは勿論であるが、排気ガスがＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０をバイパスして直接後段ＮＯｘ吸収剤５１に流入することになるので、後段ＮＯｘ吸収剤５１の昇温が容易になる。このため、この方法によりＳＯｘ再生処理も充分に行うことができる。また、ＮＯｘ吸収剤４９から放出されたＳＯｘによって後段ＮＯｘ吸収剤５１が硫黄被毒されること等も回避できる。なお、この方法では、排気ガスがＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０をバイパスするが、低温燃焼時の排気ガス中には排気微粒子が少ないので、上記ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０をバイパスしても大きな問題とはならない。
【００７５】
そして二つ目の方法は、内燃機関の運転状態が比較的高負荷の場合に選択される方法であり、還元剤供給装置５６による還元剤の供給を利用する方法である。すなわち、この方法は、第１制御弁４８を第１動作位置または第２動作位置に位置決めした状態で、第２制御弁５３を制御して後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量を調整しつつ上記還元剤供給装置５６によって排気通路内に還元剤を供給するというものである（図８参照）。
【００７６】
ここでの上記排気ガス量の調整は、総排気ガス量の多い高負荷時において後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量を低減することを目的としたものである。これにより、後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガスの空燃比を所望の空燃比まで低下させるのに必要な還元剤量を低減することができ、燃費の悪化が抑制される。また、流通する排気ガス量が多いと、後段ＮＯｘ吸収剤５１の上流において還元剤を添加する方法では、後段ＮＯｘ吸収剤５１内に大きな温度差が生じ易い。このため、特にＳＯｘ再生処理を行う場合には、後段ＮＯｘ吸収剤５１のうちの上流側部分で昇温が不充分である一方、下流側部分が過昇温されてしまう場合が生じる。後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガス量を低減すれば、このような不都合も回避することができる。
【００７７】
また、この還元剤の供給を利用する方法において上記還元剤供給装置５６から供給される還元剤の量やその供給方法（例えば添加パターン）は、一般にＮＯｘ再生処理を実施する場合とＳＯｘ再生処理を実施する場合とで異なっている。すなわち、ＮＯｘ再生処理を実施する場合には後段ＮＯｘ吸収剤５１を流通する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比もしくはリッチになるような量及び方法とされる一方、ＳＯｘ再生処理を実施する場合には、排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比もしくはリッチにすると共に、後段ＮＯｘ吸収剤５１を硫黄分放出温度以上に昇温することができるような量及び方法とされる。したがって、通常、還元剤供給量はＳＯｘ再生処理を実施する場合の方が多くなる。
【００７８】
以上、説明したように、本実施形態においては、後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合には低温燃焼を利用する方法を採り、比較的高負荷の場合には排気通路への還元剤の供給を利用する方法を採るようにしている。これは、低温燃焼は、後段ＮＯｘ吸収剤５１を効率的にＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する上で好ましいのであるが、その性質上、燃料噴射量が少なく燃焼による発熱量が比較的少ない低負荷運転時に良好に実施することが可能であるためである。すなわち、本実施形態は、上述の二つの方法を選択的に用いることで、効率的にＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行うことと、広範な機関運転状態においてＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理を行うこととの両立を図っている。
【００７９】
ここで、どちらの方法でＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するかの判定については、例えば図９に示したようなマップに基づいて行われる。図９において、横軸は機関回転数Ｎであり、縦軸はアクセル踏込み量Ｌである。つまり、その時の運転状態が図９に示した機関回転数Ｎが比較的大きく且つアクセル踏込み量Ｌが比較的大きい領域Ｈにある場合には還元剤の供給を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するようにする。逆に、その時の運転状態が図９において領域Ｓにある場合には低温燃焼を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するようにする。図９のマップは低温燃焼を良好に実施できる範囲に基づいて予め作成しＲＯＭ３２に記憶させておく。
【００８０】
なお、他の実施形態においては、上述したようなＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理の方法を機関運転状態に応じて選択するという方法を、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ５０（より正確にはＮＯｘ吸収剤４９）のＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理についても適用してよい。すなわち、例えば、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合にはＮＯｘ吸収剤４９に関して上述した低温燃焼を利用する方法を採り、比較的高負荷の場合にはＮＯｘ吸収剤４９に関して上述した補助燃料噴射を利用する方法を採るようにする。
【００８１】
また、上述の実施形態では、後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合、内燃機関の運転状態が比較的低負荷の場合には低温燃焼を利用してＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理が実施されたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、他の実施形態においては上記低温燃焼を実施することの代わりに、例えば、膨張行程または排気行程中に燃焼室内へ補助燃料を噴射することによって後段ＮＯｘ吸収剤５１をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理するようにしてもよい。なお、この場合における第１制御弁４８及び第２制御弁５３の動作位置は上述した低温燃焼を利用してＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合と同様である。
【００８２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯｘ保持剤の硫黄被毒防止用のＳＯｘ保持剤を有する排気浄化装置において、ＮＯｘ保持剤を効率良くＮＯｘ再生処理及びＳＯｘ再生処理できる排気浄化装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を筒内噴射型の圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示す図である。
【図２】図２は、機関の要求トルクを示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態の排気浄化装置を示した説明図であり、通常使用時（排気ガス浄化時）における排気ガスの流れの一例を示している。
【図４】図４は、図３と同様の図であって、ＮＯｘ吸収剤担持フィルタのＳＯｘ再生処理時における排気ガスの流れの一例を示している。
【図５】図５は、図３及び図４と同様の図であって、第２環状通路にあるＮＯｘ吸収剤を、低温燃焼を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合の排気ガスの流れの一例を示している。
【図６】図６は、ＮＯｘ吸収剤が担持されたパティキュレートフィルタの拡大断面図である。
【図７】図７は、ＮＯｘの吸収放出及び還元浄化作用を説明するための図である。
【図８】図８は、図３から図５と同様の図であって、第２環状通路にあるＮＯｘ吸収剤を、排気通路への還元剤の供給を利用する方法によってＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する場合の排気ガスの流れの一例を示している。
【図９】図９は、第２環状通路にあるＮＯｘ吸収剤をＮＯｘ再生処理またはＳＯｘ再生処理する方法を決定するために使用され得るマップである。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…電気制御式燃料噴射弁
３０…電子制御ユニット
４５…第１環状通路
４６…第２環状通路
４８…第１制御弁
５０…ＮＯｘ吸収剤担持フィルタ
５１…ＮＯｘ吸収剤
５２…酸化触媒
５３…第２制御弁
５６…還元剤供給装置
１００…排気浄化装置
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路内に配置されたＳＯｘ保持剤が担持されたパティキュレートフィルタと、
該パティキュレートフィルタをバイパスするように構成された第１バイパス通路と、
上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガス量と上記第１バイパス通路を流通する排気ガス量との割合を制御する第１制御弁と、
上記第１バイパス通路の始端よりも上流において還元剤を供給する第１還元剤供給手段と、
上記第１バイパス通路の終端よりも下流において排気通路内に配置されたＮＯｘ保持剤と、
該ＮＯｘ保持剤をバイパスするように構成された第２バイパス通路と、
上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量と上記第２バイパス通路を流通する排気ガス量との割合を制御する第２制御弁と、
上記ＮＯｘ保持剤へ流入する排気ガスへ還元剤を供給する第２還元剤供給手段と、
を具備する内燃機関の排気浄化装置において、
上記ＮＯｘ保持剤に保持されたＮＯｘを離脱させ還元すべき時または上記ＮＯｘ保持剤に保持された硫黄分を離脱させるべき時には、機関運転状態が検出され、
検出された機関運転状態が予め定めた負荷よりも低負荷の場合には、上記第１還元剤供給手段によって還元剤が供給されると共に上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第１バイパス通路を流通するようにされ、且つ、上記第２制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記ＮＯｘ保持剤を流通するようにされる一方、
検出された機関運転状態が予め定めた負荷よりも高負荷の場合には、上記第１制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記パティキュレートフィルタを流通するようにされると共に、上記第２制御弁によって上記ＮＯｘ保持剤を流通する排気ガス量を調整しつつ上記第２還元剤供給手段によって還元剤が供給される、内燃機関の排気浄化装置。 - 上記内燃機関は、燃焼室内の不活性ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、燃焼室内の不活性ガス量を更に増大していくと煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、
上記第１還元剤供給手段は、燃焼室内における平均空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになるようにすると共に燃焼室内の不活性ガス量が煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも多くなるようにすることによって還元剤を供給する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 上記第１還元剤供給手段は、膨張行程または排気行程中に燃焼室内へ補助燃料を噴射することによって還元剤を供給する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 更に、上記パティキュレートフィルタを流通する排気ガスの流通方向を反転できる流通方向反転手段を有している、請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記ＳＯｘ保持剤に保持された硫黄分を離脱させるべき時には、上記第２制御弁によってほぼ総ての排気ガスが上記第２バイパス通路を流通するようにされる、請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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| JP2003197396A JP2005036658A (ja) | 2003-07-15 | 2003-07-15 | 内燃機関の排気浄化装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009013970A (ja) * | 2007-07-09 | 2009-01-22 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の排気浄化装置 |
| JP2010144557A (ja) * | 2008-12-17 | 2010-07-01 | Isuzu Motors Ltd | 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法 |
-
2003
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