JP3546949B2

JP3546949B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3546949B2
Application number: JP2000131652A
Authority: JP
Inventors: 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001317334A

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係り、特に、浄化装置のフィルタに排気上流側と下流側とから交互に排気を切換通過できるようにした排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、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燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は６００゜Ｃ程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、６００゜Ｃよりもかなり低い。従って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させるのは困難であり、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させるためには微粒子が低い温度で着火できるようにしなければならない。
【０００３】
ところで、従来よりパティキュレートフィルタ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下させられることが知られており、従って従来より微粒子の着火温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレートフィルタが公知である。
【０００４】
例えば、特公平７−１０６２９０号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたパティキュレートフィルタが開示されている。このパティキュレートフィルタではほぼ３５０゜Ｃから４００゜Ｃの比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関では負荷が高くなれば排気ガス温が３５０゜Ｃから４００゜Ｃに達し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火燃焼せしめることができるように見える。しかしながら実際には排気ガス温が３５０゜Ｃから４００゜Ｃに達しても微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
【０００６】
即ち、排気ガス中に含まれる微粒子量が少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が３５０゜Ｃから４００゜Ｃになるとパティキュレートフィルタ上の微粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【０００７】
しかしながら、排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子は燃焼せしめられるが、酸素と接触しずらい残りの微粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることになる。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなると、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けることになる。
【０００８】
一方、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積すると、これら堆積した微粒子は次第に着火燃焼しずらくなる。このように燃焼しずらくなるのはおそらく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等に変化するからであると考えられる。事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると３５０゜Ｃから４００゜Ｃの低温では堆積した微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるためには６００゜Ｃ以上の高温が必要となる。しかしながらディーゼル機関では通常、排気ガス温が６００゜Ｃ以上の高温になることがなく、従っ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続けると排気ガス熱によって堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
【０００９】
また、堆積した微粒子が燃焼せしめられると燃えカスである灰分、即ちアッシュが凝縮して大きな塊となり、これら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が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという間題が生ずる。
【００１０】
このように多量の微粒子が一旦積層状に堆積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、従って排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて多量の微粒子が積層上に堆積しないようにする必要がある。
【００１１】
そして、従来のような触媒付の排気浄化フィルタを排気管に設けるだけで、排気浄化を内燃機関の運転状況にまかせた成り行きの連続燃焼処理とすると、上記のような問題は回避できない。
【００１２】
そこで、できるだけ微粒子の連続燃焼が可能となるように、浄化装置のフィルタに排気上流側と下流側とから交互に排気を切換通過できるようにすることで、フィルタの両側面に微粒子が堆積するため、微粒子の単位面積あたりの堆積量を減らすことができ、また、排気ガス流の切換により堆積する微粒子を撹乱して飛ばし、酸素との接触機会を増やし、酸化促進することができるようになる。
【００１３】
但し、このような排気切換手段を設けた場合でも、運転状況によって微粒子が堆積しないように、より細やかな制御を必要とする。
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、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の流れと前記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た排気浄化装置において、微粒子の酸化をより運転状況に応じて効果的に行うことができるようにすることを課題とする。
【００１４】
【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。
【００１５】
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、前記フィルタの温度が所定値以上であるときには前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと前記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、前記フィルタを迂回して排気ガスの少なくとも一部を流すバイパス手段と、前記フィルタの温度が前記所定値よりも小さいと判断されたときには車両の加速時にのみ前記フィルタに排気ガスを全量流すよう前記バイパス手段を制御する制御手段と、を有し、さらに前記フィルタに還元剤を添加する還元剤添加手段を備え、車両が加速時でないときかつ前記フィルタの温度が所定値よりも小さいと判断されたとき、前記制御手段は、排気ガスの一部をバイパス手段でバイパスするとともに、他の一部を前記フィルタに流し、かつ、還元剤添加
手段でフィルタに還元剤を添加することを特徴とする。
【００１６】
ここで、バイパス手段は排気切換手段と一体に形成され、前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと前記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可能であり、切換え途中では排気ガスが前記フィルタを迂回して流れるように構成することが可能である。
【００１７】
本発明では、フィルタ温度が所定値より低いと判断された場合に、車両の加速時にのみ前記フィルタに排気ガスを全量流すよう前記バイパス手段を制御すると、加速時に生成された高温の排気ガスがフィルタに導入されるので、フィルタの温度が上昇する。加速時は微粒子が内燃機関で大量に発生するが、排気ガスがフィルタに流れることで、微粒子はこのフィルタで捕捉され、温度の上昇とともに浄化される。よって、微粒子が外部に排出されることはない。
【００１８】
排気切り換え手段は、前記フィルタにおける排気ガスの流れ方向を正逆方向に切り替え可能な排気切換弁で構成することができる。本発明では、さらに、前記フィルタに還元剤として例えば燃料を添加する還元剤添加手段を備え、車両が加速時でないときかつ前記フィルタの温度が所定値よりも小さいと判断されたとき、前記制御手段は、排気ガスの一部をバイパス手段でバイパスするとともに、他の一部を前記フィルタに流し、かつ、還元剤添加手段でフィルタに還元剤を添加することが可能である。加速時でないときとは、減速時や定常運転時である。
【００１９】
排気ガスの一部をバイパス手段でバイパスするとともに、他の一部を前記フィルタに流すようにすると、ＳＶすなわちスペース・ベロシティ（単位時間にフィルタの体積の何倍のガスが流れるかを示す指標）が低下した状態となる。この状態で還元剤をフィルタに供給すると、活発な酸化反応が生じ、フィルタ温度が上昇して、微粒子の酸化を促進できる。
【００２０】
本発明は、前記フィルタに流れる排気ガスのＳＶを低下させるＳＶ低下制御手段を有するということもできる。
さらに、車両が加速時でないときで、かつ、フィルタ温度が所定値より低いとき、前記制御手段により、排気ガスの一部をバイパス手段でバイパスするとともに、他の一部を前記フィルタに流し、かつ、還元剤添加手段でフィルタに還元剤を添加するようにすれば、フィルタ温度が低いとき必ずその温度上昇を図ることができる。
【００２１】
本発明は、排気ガスがリーンであるときに、上記制御を行い、フィルタの温度を上昇させるのに有効である。
なお、車両が加速時であるか否かは、車両に備えたＧセンサ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサ、エンジン回転数センサ（クランク角センサ）、スロットル開度センサなどから判定する。
【００２２】
以上の各構成は、可能なかぎり互いに組み合わせることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図１０の図面を参照して説明する。
＜装置構成の概要＞
図１は本発明を車両用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も適用することもできる。
【００２４】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導びかれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９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、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を有する排気浄化装置に連結される。
【００２５】
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を介してお互いに連結され、ＥＧＲ通路２４には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２６内に導びかれ、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。
【００２６】
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（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート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、パティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取付けられ、この温度センサ３９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。アクセスペダル４０にはアクセスペダル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が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応する変換器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、燃料ポンプ２８、および後述するアクチュエータ７２に接続される。
【００２７】
図２（Ａ）は要求トルクＴＱと、アクセルペダル４０の踏み込み量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る。
＜排気浄化装置の構造＞
排気浄化装置は、図１、図３、図４に示したように、排気タービン２１の出口に排気管７０が接続されている。この排気管７０から分岐して、パティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３における該フィルタ２２の一方の面と他方の面とにそれぞれ接続する第１の排気通路７６と第２の排気通路７７とが設けられている。さらに、第１の排気通路７６と第２の排気通路７７の分岐点からパティキュレートフィルタ２２を通過せずにそのまま排気ガスを排出するバイパス通路７３とが設けられている。
【００２８】
そして、第１の排気通路７６と第２の排気通路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、アクチュエータ７２によって駆動され、第１の排気通路７６を選択してフィルタ２２の一方側から排気ガスを流す第１の流れ（順流）と、第２の排気通路７７を選択してフィルタ２２の他方側から排気ガスを流す第２の流れ（逆流）とを、交互に切換える。
【００２９】
さらに、前記第１の排気通路７７には、フィルタ２２に流入する排気ガス中に、燃料を噴射する還元剤添加手段としての燃料添加ノズル８０が設けられている。この燃料添加ノズル８０は、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３４上に実現される制御手段７５により制御されるようになっている。
【００３０】
ここで、フィルタ２２を収容するケーシング２３は、バイパス通路７３を形成する排気管７０の真上に位置するよう配置され、そのケーシング２３の両側に排気管７０から分岐した第１の排気通路７６と第２の排気通路７７が接続される形となっている。そして、ケーシング２３内のフィルタ２２は、排気ガスの通過方向を長さ方向とした場合、長さ方向に直交する幅方向の長さが、長さ方向の長さより長くなっている。このような構成とすることで、フィルタ２２を内包するケーシング２３からなる排気浄化装置の車両への搭載スペースを省スペース化することができる。
【００３１】
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。また、アクチュエータ７２は、内燃機関の駆動に伴って形成される負圧により駆動されるもので、負圧が加えられないときに第１の排気通路７６を選択する位置（順流位置）に弁体を制御し、第１の負圧が加えられたとき弁体を中立位置に制御し、第１の負圧よりも強い第２の負圧が加えられたとき第２の排気通路７７を選択する位置（逆流位置）に弁体を制御する。さらに負圧の制御により、弁体を図３の二点鎖線で示すような傾斜した状態（中間傾斜位置）に保持することもでき、これにより排気ガスの一部をバイパス通路７３にバイパスするとともに、他の一部をフィルタ２２に流すことができる。すなわち、制御手段により制御されるアクチュエータ７２によって駆動される排気切換弁７１は、本発明でいう排気切換手段とバイパス手段とを兼用している。
【００３２】
前記弁体が図３の破線で示す順流位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を第１の排気通路７６に接続するとともに、第２の排気通路７７をバイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、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→バイパス通路７３の順に流れて、大気に放出される。
【００３３】
弁体が、図３の実線で示す逆流位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を第２の排気通路７７に接続するとともに、第１の排気通路７６をバイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０→第２の排気通路７７→フィルタ２２→第１の排気通路７６→バイパス通路７３の順に流れて、大気に放出される。
【００３４】
弁体が、図３の一点鎖線で示すように、排気管７０の軸線に平行となった中立位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を直接バイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０からフィルタ２２を通過しないでバイパス通路７３に流れて、大気に放出される。
【００３５】
弁体が、図３の二点鎖線で示すように、排気管７０の軸線に平行となった中間傾斜位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０をバイパス通路７３に接続するので、その限りにおいて、排気ガスの一部は、排気管７０からフィルタ２２を通過しないでバイパス通路７３に流れて、大気に放出される。一方、弁体の傾斜により排気ガスの他の一部は第１の排気通路７６を通ってフィルタ２２を順流方向から通過し、バイパス通路７３へと導入される。
【００３６】
この状態では、第１の排気通路７６を流れる排気ガスの量が減り、ＳＶ値すなわちスペース・ベロシティ（単位時間にフィルタの体積の何倍のガスが流れるかを示す指標）が低下した状態となる。この状態で燃料をフィルタに供給すると、活発な酸化反応が生じ、フィルタ温度が上昇して、微粒子の酸化を促進できる。
【００３７】
弁体の切換えにより、順流・逆流を繰り返すことで、煤などの微粒子がフィルタ２２の基材内を動き回るので、微粒子の酸化を促進し、よって、微粒子の浄化を効率よく行うことができる。
【００３８】
図５（Ａ）は、フィルタ２２に一方向からのみ排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの一方の面にのみ蓄積して動かず、排気ガスの圧損上昇の原因となるだけでなく、微粒子の浄化を妨げる。
【００３９】
図５（Ｂ）は、フィルタ２２に双方向から排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの両面で順流方向と逆流方向に撹乱されるので、フィルタ２２の両面で、あるいは、基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点を利用して微粒子の酸化を促進することができ、フィルタ２２に微粒子が蓄積するのをより少なくすることができる。よって、排気ガスの圧損上昇を避けることができる。
＜フィルタの構造＞
図６にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図６において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図６（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２２はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓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とにより構成される。なお、図６（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００４０】
パティキュレートフィルタ２２は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図６（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００４１】
本発明による実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒と、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が坦持されている。
【００４２】
前記貴金属触媒としては白金Ｐｔを用いることができる。また、前記活性酸素放出剤は、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、および遷移金属から選ばれた少くとも一つから構成することができる。
【００４３】
なお、この場合、活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
【００４４】
この実施の形態では、アルミナなどの担体上に、貴金属触媒として白金Ｐｔと、活性酸素放出剤としてカリウムＫが坦持された場合を例にとって説明する。
＜フィルタによる微粒子の連続酸化処理＞
次に、パティキュレートフィルタ２２による排気ガス中の微粒子除去作用について説明する。なお、この機能は、活性酸素放出剤として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、および遷移金属を用いても同様なメカニズムで微粒子除去作用が行われる。
【００４５】
図１に示されるような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、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、図１に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室５内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ_２となる。従って排気ガス中にはＳＯ_２が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ_２を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００４６】
図７（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０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の拡大図を模式的に表わしている。なお、図７（Ａ）および（Ｂ）において６０は白金Ｐｔの粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００４７】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図７（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。次いで生成されたＮＯ_２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）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻は硝酸カリウムＫＮＯ_３を生成する。
【００４８】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ_２も含まれており、このＳＯ_２もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻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ＳＯ_２は白金Ｐｔの表面でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応してＳＯ_３となる。
【００４９】
次いで生成されたＳＯ_３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ＳＯ_４ ^２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４を生成する。このようにして活性酸素放出剤６１内には硝酸カリウムＫＮＯ_３および硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４が生成される。
【００５０】
一方、燃焼室５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、従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パティキユレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図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、付着する。
【００５１】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤６１内に形成されている硝酸カリウム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と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００５２】
一方、このとき活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ_２とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、ＳＯ_２が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ_２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。ただし、硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４は安定しているため、硝酸カリウムＫＮＯ_３に比べ、活性酸素は放出しづらい。
【００５３】
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ＫＮＯ_３や硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子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せしめられ、微粒子６２は完全に消滅する。従って微粒子６２はパティキュレートフィルタ２２上に堆積することがない。
【００５４】
従来のようにパテイキュレートフイルタ２２上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２２が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、従ってこのような火炎を伴う燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度をを高温に維持しなければならない。
【００５５】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このとき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、云い換えると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が酸化除去せしめられている。従って本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００５６】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温で行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ２２上に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が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００５７】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ_４によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ_３が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ_４が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００５８】
しかしながらこの場合、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ＳＯ_３はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４を形成し、カルシウムＣａはＳＯ_３と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、バリウムＢａを用いることが好ましいことになる。
【００５９】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤６１が放出しうる活性酸素Ｏの量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。従ってパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量は、パティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００６０】
図９の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示している。なお、図９において横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。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と称するとこの排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、即ち図９の領域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に接触するや否や短時間のうちにパティキュレートーフィルタ２２上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００６１】
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、即ち図９の領域ＩＩでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図８（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
【００６２】
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図８（Ａ）に示すように微粒子６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子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部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図８（Ｂ）に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われるようになる。
【００６３】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分６３は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分６３はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分６３によって覆われると白金ＰｔによるＮＯ、ＳＯ_２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の上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ｐｔや活性酸素放出剤６１から距離を隔てているために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がなく、従ってこの微粒子６４上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２２上には微粒子が積層状に堆積してしまう。
【００６４】
このように図９の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図９の領域ＩＩでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Ｍを常時酸化除去可能微粒子量Ｇとの関係を領域Ｉの範囲にすることが望ましい。
【００６５】
しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２２の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。
【００６６】
このように運転状況によっては排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも増大して、パティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。
【００６７】
この堆積した微粒子を酸化除去するために、排気管７０に配置された切換弁７１を切換える。切換弁７１が切り換えられると、パティキュレートフィルタ２２の排気上流側と排気下流側とが逆転し、切り換え前にパティキュレートフィルタ２２の排気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の表面に付着して活性酸素Ｏが放出され、この微粒子が酸化除去される。この放出される活性酸素Ｏの一部は、排気ガスと共にパティキュレートフィルタ２２の排気下流側へ移動し、ここに堆積する微粒子を酸化除去する。ここでは前述したように、微粒子はパティキュレートフィルタ２２の両面で順流方向と逆流方向に撹乱され、パティキュレートフィルタ２２の両面で、あるいは基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点に出合い酸化される。
【００６８】
このようにして酸化されなかった微粒子がパティキュレートフィルタ２２に堆積し始めているときに、このパティキュレートフィルタ２２の排気上流側と下流側とを逆転することにより、パティキュレートフィルタ２２から微粒子を完全に酸化除去することができる。
【００６９】
またパティキュレートフィルタ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せしめられる。排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Ｏ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。
＜フィルタの昇温制御＞
フィルタに担持した触媒の温度を上昇させるためには、触媒に還元剤を添加し、排気ガスの空燃比がリーン域で酸化させる。このためには、活性化温度以上の触媒床温度、還元剤量大、酸素量大、低ＳＶであることが好ましい。
【００７０】
フィルタ（触媒）の床温度が不足する場合、加速時の排気ガスをフィルタに流入させ、フィルタ床温度が活性化温度以上になった時に、燃料添加ノズルから燃料を排気ガス中に供給する場合、通常の排ガス流でのＳＶ値（３０，０００〜５０，０００／ｈ）では、排気ガス量が多く、フィルタ床温度を効率よく上昇させることができない。
【００７１】
前記した触媒の活性化温度は、通常の排ガス流でのＳＶ値（３０，０００〜５０，０００／ｈ）では、２５０℃程度であるが、ＳＶが１０，０００／ｈ以下に低下すると、１５０℃程度に低下する。さらに、低ＳＶ下では、発熱量が排気ガスに奪われることが少ないため、局所的に温度が上昇する。
【００７２】
この原理に従い、本実施形態では、制御手段７５により以下の制御を行う。
まず、ステップ１０１で、温度センサ３９で検出した触媒床温度が所定値Ｔより低いか否かを判定する。この所定値Ｔは、フィルタによる微粒子の酸化除去可能量が小さいと判断される予め設定された温度値である。
【００７３】
ステップ１０１で、触媒床温度が所定値以上であると判断される場合、通常制御がステップ１０２で行われ、排気切換弁７１が適宜切り替えられて、排気ガスがフィルタ２２に順流方向、逆流方向から交互に導入され、上述したように、微粒子が攪乱されて、浄化される。
【００７４】
一方、ステップ１０１で、触媒床温度が所定値Ｔより低い場合、制御手段７５は、車両が加速時であるか否かを判定する（ステップ１０３）。
車両が加速時である場合、排気切換弁７１により第１の排気通路７６か第２の排気通路７７が選択され、フィルタ２２の順流方向あるいは逆流方向から排気ガスがフィルタ２２に導入される（ステップ１０４）。加速時に生成された排気ガスは高温であるので、フィルタの温度が上昇する。また、加速時は微粒子が内燃機関で大量に発生するが、排気ガスがフィルタに流れることで、微粒子はこのフィルタで捕捉され、浄化される。よって、微粒子が外部に排出されることはない。
【００７５】
一方、ステップ１０３で、車両が加速時でないと判定された場合、制御手段７５は、排気切換弁７１を制御して弁体を中間傾斜位置に制御し、一部の排気ガスが第１の排気通路７６からフィルタに導入され、他の一部がバイパス通路７３から排出されるようにする（ステップ１０５）。
【００７６】
すると、フィルタへの排気ガスのＳＶ値が下がるので、触媒活性化温度が下がり、低温から触媒の酸化機能が働くようになる、この状態でさらに、車両が加速時でない場合、制御手段７５は、燃料添加ノズル８０から燃料を排気ガス中に添加する。これにより、触媒の酸化が低温から進み、触媒床温度が上昇する。燃料添加ノズル８０は、第１の排気通路７６側にあるので、フィルタ２２の順流側の端面側が局所的に温度上昇することになる。
【００７７】
以上の処理が定期的に繰り返されるが、次に、車両が加速されるときは、排気切換弁７１は、温度の高い側のフィルタ端面から排気ガスが導入されるように制御手段７５が排気切換弁７１を制御する。フィルタの両端面のどちら側が高温状態にあるのかを判断するため、フィルタ２２の温度を検出する温度センサを、フィルタの両端面の２カ所に分けて設けてもよいが、図３のように、一つのセンサだけでもよい。一つのセンサの場合は、運転状況からフィルタの両端面のどちら側が高温状態にあるのかを判定する。
【００７８】
【発明の効果】
本出願に係る発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、前記フィルタによる微粒子の酸化除去可能量が所定値よりも小さいと判断されたとき、車両の加速時にのみ前記フィルタに排気ガスを流すこととしたので、加速時の高温排気ガスによって、フィルタの温度を高くすることができ、フィルタによる微粒子の酸化除去可能量を増大させることができ、加速時に発生する微粒子もフィルタで捕捉し、浄化することができる。
【００７９】
一方、前記フィルタに還元剤を添加する還元剤添加手段を備え、車両が加速時でないとき、排気ガスの一部のみをフィルタに流し、かつ、還元剤添加手段でフィルタに還元剤を添加することで、単位時間あたりにフィルタに流れる排気ガス流量をを減らし、活性化温度を下げるとともに、還元剤の添加による酸化促進効果でフィルタ温度を上昇させることができる。この制御をフィルタ温度が所定値より低いとき常に行えば、フィルタを可能な限り有効に効果的に利用することが可能となり、排気浄化能を高く維持できる。
【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】実施の形態における制御を示したフローチャート図
【符号の説明】
６…燃料噴射弁
２２…パティキュレートフィルタ
３０…ＥＣＵ
６１…活性酸素放出剤
７１…排気切換弁（排気切換手段）
７５…制御手段
８０…燃料添加ノズル（還元剤添加手段）

Claims

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、
前記フィルタの温度が所定値以上であるときには前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第１の流れと前記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、
前記フィルタを迂回して排気ガスの少なくとも一部を流すバイパス手段と、
前記フィルタの温度が前記所定値よりも小さいと判断されたときには車両の加速時にのみ前記フィルタに排気ガスを全量流すよう前記バイパス手段を制御する制御手段と、
を有し、
さらに前記フィルタに還元剤を添加する還元剤添加手段を備え、車両が加速時でないときかつ前記フィルタの温度が所定値よりも小さいと判断されたとき、前記制御手段は、排気ガスの一部をバイパス手段でバイパスするとともに、他の一部を前記フィルタに流し、かつ、還元剤添加手段でフィルタに還元剤を添加することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。