JP3642257B2

JP3642257B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3642257B2
Application number: JP2000131655A
Authority: JP
Inventors: 信也広田; 俊明田中; 和浩伊藤; 孝充浅沼; 好一郎中谷; 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: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001317335A

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、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、前記排気切換手段から前記フィルタの一方の面に接続される排気通路の長さが前記排気切換手段から前記フィルタの他方の面に接続される排気通路の長さよりも短くされ、前記フィルタの温度が前記所定値よりも小さいときには、前記フィルタの温度が前記所定値以上となるまで前記フィルタに接続される排気通路の短くされた側の排気ガスの流れを選択する制御手段を有すること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、前記フィルタに接続される排気通路の短くされた側の排気ガスの流れの途中に、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、前記フィルタに接続される排気通路の短くされた側の排気ガス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１０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１１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１３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１８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２７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２５、燃料ポンプ２８などはそれぞれ対応する駆動回路３８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７０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７６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２２が配置されるなど、フィルタ２２及びこのフィルタ２２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７７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７７→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７１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２２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Ｐｔ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ＮＯ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ＮＯ₃ ^-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ＳＯ₂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Ｋ₂ＳＯ₄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６１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ＳＯ₂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２２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２２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２２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７１ａ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２２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７１ａ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３０からの指令に基づき所定量の燃料を第１の排気通路７６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８２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２２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７０からフィルタ２２に至る経路が短い第１の排気通路７６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７３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２２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７０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

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、前記排気切換手段から前記フィルタの一方の面に接続される排気通路の長さが前記排気切換手段から前記フィルタの他方の面に接続される排気通路の長さよりも短くされ、前記フィルタの温度が前記所定値よりも小さいときには、前記フィルタの温度が前記所定値以上となるまで前記フィルタに接続される排気通路の短くされた側の排気ガス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。
前記フィルタに接続される排気通路の短くされた側の排気ガスの流れの途中に、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。
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。
前記フィルタに接続される排気通路の短くされた側の排気ガス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。