WO2010131374A1

WO2010131374A1 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: WO2010131374A1
Application number: PCT/JP2009/059391
Authority: WO
Inventors: 大坪康彦
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-18
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Abstract

内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置されている第１の酸化触媒と、第１の酸化触媒よりも下流に配置されている混合器と、混合器よりも下流に配置されている第２の酸化触媒とを備える。第２の酸化触媒を昇温すべきときに、機関本体から排出された空燃比がリッチの排気ガスに含まれる未燃燃料の一部および機関本体から排出された空燃比がリーンの排気ガスが、第１の酸化触媒を通過した後に混合器により互いに混合され、第２の酸化触媒にて酸化反応を生じるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す繰返し制御を行う。

Description

内燃機関の排気浄化装置

　本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

　ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）または粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ）などの成分が含まれている。内燃機関には、これらの成分を浄化するために排気浄化装置が取り付けられる。
　排気ガスに含まれる粒子状物質を排気ガスから除去するためには、内燃機関の機関排気通路にパティキュレートフィルタが配置される。粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集されて堆積する。堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには、パティキュレートフィルタから粒子状物質を除去する再生が行なわれる。パティキュレートフィルタを再生するときには、空気過剰の雰囲気中で温度を上昇させることにより粒子状物質を燃焼させる。
　特開２００４−５２６１１号公報においては、４つの気筒が気筒群Ａおよび気筒群Ｂに分けられ、それぞれの気筒群に対して、酸化触媒およびＮＯ_Ｘトラップ触媒が配置されている内燃機関の排気浄化装置が開示されている。排気通路の合流部より下流側には、微粒子トラップが配置されている。この公報には、ＮＯ_Ｘトラップ触媒の再生の際には、一方の気筒群で、ポスト噴射を行って排気ガスの空燃比をリッチにするが、他方の気筒群の排気ガスの空燃比はリーンにすることが開示されている。ＮＯ_Ｘトラップ触媒の再生の際に、微粒子トラップに流入する排気ガスの空燃比がリーンとなり、微粒子が燃焼されることが開示されている。
　酸化触媒は、未燃燃料等の酸化反応が活性化する活性化温度を有する。機関本体の起動時などには、酸化触媒を活性化温度以上に昇温する必要がある。酸化触媒は、排気ガスにより加熱することができる。機関本体から排出された排気ガスの熱は、機関排気通路の構成部品に吸収される。または、排気ガスの熱は、大気中に放出される。このために、酸化触媒が機関本体から遠い位置に配置されている場合には、内燃機関の起動時等に、酸化触媒の昇温に時間がかかっていた。
　上記の特開２００４−５２６１１号公報に開示されているように、酸化触媒を内燃機関の機関本体の近傍に配置することにより、機関本体や機関排気通路の構成部品の温度が低いときにも、短時間で酸化触媒を活性化温度以上に昇温することができる。この結果、速やかに排気ガスに含まれる未燃燃料等の酸化を開始することができる。
　ところで、排気浄化装置に取り付けられる排気処理装置には、所定の目的のために、通常の運転状態の温度よりも高い温度に昇温する場合がある。昇温をすべき排気処理装置の上流側に酸化触媒が配置されている場合には、酸化触媒の酸化反応熱により排気ガスを昇温する。昇温された排気ガスにより、排気処理装置を加熱することができる。
　例えば、機関排気通路にパティキュレートフィルタが配置されている場合には、パティキュレートフィルタの再生の時に昇温が必要である。パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒が配置されている場合には、酸化触媒に未燃燃料を供給して酸化反応熱により排気ガスを昇温する。高温の排気ガスによりパティキュレートフィルタを昇温することができる。
　酸化触媒が機関本体の近傍に配置されている場合には、酸化触媒とパティキュレートフィルタとの距離が長くなる場合がある。酸化触媒で昇温された排気ガスは、パティキュレートフィルタに到達するまでに温度が低下してしまう。このために、機関本体の近傍に配置されている酸化触媒によって、排気ガスの温度を上昇させる場合には、酸化触媒の出口の排気ガスの温度を、パティキュレートフィルタの再生温度よりも高い温度にする必要がある。
　ところが、酸化触媒は、温度が高くなると熱劣化が大きくなる。このため、酸化触媒の酸化反応熱により下流に配置されている排気処理装置を昇温する場合には、酸化触媒の熱劣量が大きくなっていた。酸化触媒は、熱劣化が進行することにより、例えば、酸化速度が低下したり、活性化温度が高くなったりする。このために、酸化触媒の熱劣化は小さいことが好ましい。

　本発明は、機関排気通路に配置されている酸化触媒の熱劣化を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
　本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置されている第１の酸化触媒と、第１の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置されている混合器と、混合器よりも下流の機関排気通路内に配置されている第２の酸化触媒とを備える。第２の酸化触媒を昇温すべきときに、機関本体から排出された空燃比がリッチの排気ガスに含まれる未燃燃料の一部および機関本体から排出された空燃比がリーンの排気ガスが、第１の酸化触媒を通過した後に混合器により互いに混合され、混合された排気ガスが第２の酸化触媒にて酸化反応を生じるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す繰返し制御を行う。この構成により、機関排気通路に配置されている酸化触媒の熱劣化を抑制することができる。
　上記発明において、混合器は、過給機のタービンを含むことができる。
　上記発明において、繰返し制御は、混合器から排出される排気ガスの空燃比がリーンになるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチの期間の継続時間および排気ガスの空燃比と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンの期間の継続時間および排気ガスの空燃比とを制御することが好ましい。この構成により、未燃燃料が第２の酸化触媒をすり抜けることを抑制することができる。
　上記発明において、第２の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置されている排気処理装置を備え、排気処理装置は、粒子状物質を捕集することができ、蓄積する粒子状物質を燃焼させるために昇温が必要なパティキュレートフィルタ、および、吸蔵および吸着のうち少なくとも一方によりＮＯ_Ｘを保持することができ、ＮＯ_Ｘと同時に吸蔵および吸着のうち少なくとも一方により保持されるＳＯ_Ｘを放出するために昇温が必要なＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のうち少なくとも一方を含むことができる。
　本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に配置されている第１の酸化触媒と、第１の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置され、酸素の吸蔵能力を有する第２の酸化触媒とを備える。第２の酸化触媒を昇温すべきときに、機関本体から排出された空燃比がリッチの排気ガスに含まれる未燃燃料の一部が、第１の酸化触媒を通過した後に、第２の酸化触媒において吸蔵されている酸素により酸化反応を生じるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す反復制御を行う。この構成により、機関排気通路に配置されている酸化触媒の熱劣化を抑制することができる。
　上記発明においては、反復制御は、第２の酸化触媒において排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチのときには吸蔵した酸素により流入するほぼ全ての未燃燃料を酸化するように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチの期間の継続時間および排気ガスの空燃比と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンの期間の継続時間および排気ガスの空燃比とを制御することが好ましい。この構成により、未燃燃料が第２の酸化触媒をすり抜けることを抑制することができる。
　上記発明においては、第２の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置されている排気処理装置を備え、排気処理装置は、粒子状物質を捕集することができ、蓄積する粒子状物質を燃焼させるために昇温が必要なパティキュレートフィルタ、および、吸蔵および吸着のうち少なくとも一方によりＮＯ_Ｘを保持することができ、ＮＯ_Ｘと同時に吸蔵および吸着のうち少なくとも一方により保持されるＳＯ_Ｘを放出するために昇温が必要なＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のうち少なくとも一方を含むことができる。

　図１は、実施の形態１における内燃機関の全体図である。
　図２は、パティキュレートフィルタの概略断面図である。
　図３は、実施の形態１において、パティキュレートフィルタを昇温する時の繰返し制御のタイムチャートである。
　図４は、通常運転時における噴射パターンの説明図である。
　図５は、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにする時の噴射パターンの説明図である。
　図６は、実施の形態１において、パティキュレートフィルタを昇温する時の繰返し制御のタイムチャートの拡大図である。
　図７は、過給機のタービンの概略断面図である。
　図８は、図７におけるＡ−Ａ線に関する矢視断面図である。
　図９は、実施の形態１において、パティキュレートフィルタを昇温する時の比較例の制御のタイムチャートである。
　図１０は、実施の形態１において、繰返し制御または比較例の制御を行うときの排気ガスの温度の説明図である。
　図１１は、実施の形態１において、繰返し制御を行なうときの１周期の時間とそれぞれの酸化触媒の床温との関係を説明するグラフである。
　図１２は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図である。
　図１３は、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにする時の他の噴射パターンの説明図である。
　図１４は、実施の形態２における内燃機関の概略図である。
　図１５は、実施の形態２において、反復制御を行なうときの１周期の時間とそれぞれの酸化触媒の床温との関係を説明するグラフである。
　図１６は、実施の形態２において、第２の反復制御を行なうときのそれぞれの燃焼室における燃料の噴射パターンの説明図である。

参照符号の一覧表
１…機関本体
２…燃焼室
７…過給機
７ｂ…タービン
１３…第１の酸化触媒
１４…第２の酸化触媒
１５…第２の酸化触媒
１６…パティキュレートフィルタ
３０…電子制御ユニット

　実施の形態１
　図１から図１３を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関は、車両に配置されている。本実施の形態においては、自動車に取り付けられている圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。
　図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。内燃機関は、機関本体１を備える。また、内燃機関は、排気ガスを浄化する排気浄化装置を備える。機関本体１は、各気筒としての燃焼室２と、それぞれの燃焼室２に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
　吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して過給機７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。更に、吸気ダクト６の途中には、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置１１に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
　本実施の形態における排気浄化装置は、機関排気通路内に配置されている第１の酸化触媒としての酸化触媒１３を含む。酸化触媒１３は、排気マニホールド５と過給機７のタービン７ｂとの間に配置されている。本実施の形態における酸化触媒１３は、排気マニホールド５に接するように配置されている。酸化触媒１３は、排気マニホールド５に直結されている。本実施の形態における酸化触媒１３は、機関本体１に近接して配置されている。また、酸化触媒１３には、複数の燃焼室２から排出される全ての排気ガスが流入する。
　本実施の形態における排気浄化装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去するためのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）１６を含む。パティキュレートフィルタ１６は、機関排気通路内に配置されている。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６は、過給機７よりも下流側に配置されている。
　本実施の形態における排気浄化装置は、機関排気通路内に配置されている第２の酸化触媒としての酸化触媒１４を含む。酸化触媒１４は、過給機７よりも下流側に配置されている。酸化触媒１４は、排気管１２を介してタービン７ｂの出口に接続されている。また、酸化触媒１４は、パティキュレートフィルタ１６よりも上流側に配置されている。本実施の形態における酸化触媒１４は、パティキュレートフィルタ１６に隣接して配置されている。
　本実施の形態における自動車は、自動車の前方の部分にエンジンルームが配置されている。機関本体１は、エンジンルームに配置されている。酸化触媒１３は、エンジンルームに配置されている。これに対して、酸化触媒１４およびパティキュレートフィルタ１６は、フロアパネルの下側に配置されている。
　排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の途中にはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれている。機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
　それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。コモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
　電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス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を含む。
　ＲＯＭ３２は、読み込み専用の記憶装置であり、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。ＣＰＵ３４は、任意の演算や判断を行なうことができる。ＲＡＭ３３は、読み書きが可能な記憶装置であり、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。
　パティキュレートフィルタ１６の下流には、酸化触媒１４またはパティキュレートフィルタ１６の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。パティキュレートフィルタ１６には、パティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２８が取付けられている。これらの温度センサ２６、差圧センサ２８および吸入空気量検出器８の出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
　アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。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１５°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が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体１の回転数を検出することができる。
　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３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。
　酸化触媒１３，１４は、酸化能力を有する触媒である。酸化触媒１３，１４は、例えば、排気ガスの流れ方向に延びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体は、たとえば円筒形状のケースに収容される。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末により、触媒担持体としてのコート層が形成されている。コート層には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｄ）、パラジウム（Ｐｄ）のような貴金属触媒が担持されている。排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）または未燃炭化水素（ＨＣ）は、酸化触媒で酸化されて水や二酸化炭素等に変換される。
　酸化触媒は、酸化反応が活性化する活性化温度を有する。内燃機関の始動時には、機関本体、過給機および機関排気通路の隔壁等の構成部品は、低温である。燃焼室から排出される排気ガスは、機関排気通路の構成部品に熱を奪われる。酸化触媒を機関本体から遠い位置に配置した場合には、機関本体から排出された排気ガスが酸化触媒に到達するまでに温度が低下する。このため、酸化触媒に流入する排気ガスの温度が高くなるまでに時間がかかる。すなわち、酸化触媒が活性化温度以上になるまでに時間がかかる。
　本実施の形態における第１の酸化触媒は、機関本体の近傍に配置されている。本実施の形態の酸化触媒１３は、排気マニホールド５に直結されている。このために、機関本体１の始動直後においても酸化触媒１３に高温の排気ガスが流入する。酸化触媒１３は、速やかに昇温されて、活性化温度以上になる。このように、酸化触媒１３は、内燃機関の始動後に短時間で活性化温度に到達して、排気ガスを浄化することができる。
　酸化触媒において酸化反応が生じるときには、酸化反応熱が発生する。この酸化反応熱により酸化触媒が昇温する。酸化触媒が昇温することにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。本実施の形態においては、酸化触媒１４にて酸化反応を生じさせることにより、パティキュレートフィルタ１６の昇温を行う。このときに、排気マニホールド５に接して配置されている酸化触媒１３での酸化反応を抑制する。
　図２に、パティキュレートフィルタの概略断面図を示す。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタは、円筒形状を有する。図２は、円筒形状の軸方向に沿って切断したときの断面図である。パティキュレートフィルタ１６は、排気ガスに含まれる炭素微粒子、およびサルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質を除去するためのフィルタである。
　本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６はハニカム構造を有する。パティキュレートフィルタ１６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いる。パティキュレートフィルタ１６は、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の通路６０，６１を有する。通路６０は、下流側の端部が栓６２により閉塞されている。通路６１は、上流側の端部が栓６３により閉塞されている。
　通路６０および通路６１は、薄肉の隔壁６４を介して交互に配置されている。通路６０に流入した排気ガスは、矢印２００に示すように、隔壁６４を通って隣接する通路６１に流出する。排気ガスが隔壁６４を通過するときに、粒子状物質が捕捉される。このように、粒子状物質は、パティキュレートフィルタ１６に捕集される。排気ガスは、通路６１を通ってパティキュレートフィルタ１６から流出する。
　内燃機関の運転を継続するとパティキュレートフィルタ１６には、次第に粒子状物質が堆積する。図１を参照して、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量の判別は、差圧センサ２８により検出される差圧により行うことができる。検出された差圧が許容値を越えたときに、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたと判別することができる。粒子状物質の堆積量が許容量を越えたときには、堆積した粒子状物質を除去する再生を行なう。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの前後の差圧から粒子状物質の堆積量を算出しているが、この形態に限られず、任意の方法により堆積量を検出することができる。
　本発明においては、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。パティキュレートフィルタの再生においては、パティキュレートフィルタの温度を再生が可能な温度以上に昇温する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタを目標温度以上に上昇させる。この状態で、排気ガスの空燃比をリーンにすることにより、堆積した粒子状物質を燃焼させる。堆積していた粒子状物質が除去される。
　図３に、本実施の形態におけるパティキュレートフィルタの再生を行なうときのタイムチャートを示す。時刻ｔ_１において、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量が許容量に達している。時刻ｔ_１から再生を行うために、パティキュレートフィルタの昇温を開始している。時刻ｔ_２において、パティキュレートフィルタの床温が粒子状物質の燃焼可能な温度に到達している。さらに、時刻ｔ_３に、パティキュレートフィルタの床温が目温度に到達している。本実施の形態における目標温度は、粒子状物質を燃焼できる温度以上に設定されている。パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンにすることにより、粒子状物質が燃焼して除去される。パティキュレートフィルタに堆積する微粒子状物質の量が減少する。粒子状物質の除去は、例えば、予め定められた量の粒子状物質が燃焼するまで継続される。
　本実施の形態における排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの昇温を行うときに、第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比が、リッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す繰返し制御を行なっている。すなわち、断続的に排気ガスの空燃比をリッチにしている。また、パティキュレートフィルタを目標温度に維持するために、繰返し制御を行っている。
　本実施の形態においては、機関本体の複数の全ての燃焼室において、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す制御を行っている。図１を参照して、本実施の形態の内燃機関は、複数の燃焼室２を有する。クランクシャフトが２回転する間（全ての燃焼室において１回の燃焼サイクルが行われる期間に相当する）に、複数の燃焼室の全てから排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間を有する。すなわち、クランクシャフトが２回転する間に、１つの燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる場合には、他の燃焼室から排出される排気ガスの空燃比もリッチになるように制御を行なっている。さらに、クランクシャフトが２回転する間に、複数の燃焼室の全てから排出される排気ガスの空燃比がリーンになる期間を有する。
　本実施の形態においては、機関本体から排出される排気ガスの空燃比は、第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比と等しくなる。燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにする場合に、燃焼室内に噴射する燃料の量を増加させている。本実施の形態においては、主噴射の後に補助噴射を行うことにより排気ガスの空燃比を低下させている。
　図４に、本実施の形態における内燃機関の通常運転時における燃料の噴射パターンを示す。噴射パターンＡは、通常運転時における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点ＴＤＣで主噴射ＦＭが行なわれる。クランク角が略０°において主噴射ＦＭが行なわれる。また、主噴射ＦＭの燃焼を安定化させるために、主噴射ＦＭの前にパイロット噴射ＦＰが行なわれている。パイロット噴射ＦＰは、例えば、クランク角が圧縮上死点ＴＤＣの前の略１０°から略４０°の範囲において行なわれる。通常運転時においては、パイロット噴射ＦＰが行なわれていなくても構わない。通常運転において噴射パターンＡで運転されているときには、排気ガスの空燃比はリーンである。
　図５に、機関本体の燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにするときの噴射パターンの説明図を示す。噴射パターンＢでは、主噴射ＦＭの後に第１の補助噴射ＦＰＯを行っている。第１の補助噴射は、燃焼室において燃料が燃焼しない時期に行われる補助噴射である。第１の補助噴射は、ポスト噴射とも言われる。第１の補助噴射は、機関出力に寄与しない特徴を有する。第１の補助噴射は、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略９０°から略１２０°の範囲内において行われる。第１の補助噴射ＦＰＯを行うことにより機関排気通路に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。
　さらに、噴射パターンＢは、主噴射ＦＭの噴射時期が圧縮上死点ＴＤＣから遅れている。すなわち、主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期の遅角に伴って、パイロット噴射ＦＰの噴射時期も遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。本実施の形態においては、主噴射を遅角させる制御を行っているが、この形態に限られず、主噴射を遅角させる制御を行わなくても構わない。
　図６に、本実施の形態における繰返し制御を行うときのタイムチャートの拡大図を示す。図６は、第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比と第１の酸化触媒の床温との関係を説明する図である。第１の補助噴射を行わない運転状態では、第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比はリーンである。燃焼室において第１の補助噴射を行なう運転状態では、第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになる。時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までは、排気ガスの空燃比がリッチの期間である。時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までは、排気ガスの空燃比がリーンの期間である。第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの期間とリーンの期間とで、１周期が構成されている。
　本実施の形態におけるディーゼルエンジンの場合には、例えば、アイドリング状態を含む通常運転を行っているときの燃焼空燃比は、おおよそ５０から２０である。本実施の形態において排気ガスの空燃比をリッチにする場合には、たとえば、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がほぼ１０以下になるように行なう。また、本実施の形態においては、後述するように、過給機から排出される排気ガスの空燃比が連続的にリーンになる様に制御が行なわれている。
　第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの期間では、第１の酸化触媒において、燃焼室において燃え残った少量の未燃燃料や一酸化炭素が酸化される。第１の酸化触媒において、通常運転時の発熱と同様の少量の発熱が生じる。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチの期間においては、多くの未燃燃料を含む排気ガスが第１の酸化触媒に流入する。理論空燃比に相当する未燃燃料の一部は、第１の酸化触媒において酸化する。この結果、第１の酸化触媒が発熱する。しかしながら、理論空燃比を超える未燃燃料の一部については、酸素が不足して酸化反応を生じない。理論空燃比を超える未燃燃料の一部については、発熱に寄与せずに、第１の酸化触媒を通過する。
　この結果、排気ガスの空燃比がリッチの期間においては、第１の酸化触媒の床温が少し上昇する。しかしながら、この後の排気ガスの空燃比がリーンの期間では、第１の酸化触媒の床温が下降する。図３を参照して、繰返し制御を行うことにより、第１の酸化触媒の床温を少しの温度上昇に留めることができる。第１の酸化触媒の大きな温度上昇を回避することができる。
　第１の酸化触媒から流出した空燃比がリッチの排気ガスと空燃比がリーンの排気ガスとは、混合器により混合される。本実施の形態における混合器は、過給機を含む。図１を参照して、この２種類の排気ガスは、過給機７のタービン７ｂにおいて混合される。
　図７に、本実施の形態における過給機のタービンの概略断面図を示す。タービン７ｂは、タービンハウジング５１を含む。タービンハウジング５１の内部には、機関排気通路が形成されている。タービン７ｂは、排気ガスが吹き付けられて回転するタービンホイール５２を含む。タービンホイール５２は、シャフト５３に連結されている。シャフト５３は、回転自在にシャフトハウジング５６に支持されている。シャフト５３は、コンプレッサ７ａのコンプレッサホイールに連結されている。
　排気ガスは、矢印２０１に示すように、タービンホイール５２に向けて流れる。排気ガスがタービンホイール５２に衝突することにより、タービンホイール５２が回転する。タービンホイール５２により生成された回転力は、シャフト５３を介してコンプレッサ７ａに配置されているコンプレッサホイールに伝達される。コンプレッサホイールが回転することにより、吸入空気の圧力が上昇する。タービンホイール５２を回転させた排気ガスは、矢印２０２に示すように、タービン７ｂの出口から排出される。
　図８に、本実施の形態における過給機のタービンの他の概略断面図を示す。図８は、図７におけるＡ−Ａ線に関する矢視断面図である。タービン７ｂは、排気ガスの流れを形成するためのスクロール部５７を有する。排気ガスは、矢印２０３に示すようにスクロール部５７を通って流入する。図７および図８を参照して、排気ガスは、矢印２０１に示すようにスクロール部５７からタービンホイール５２に向かって流れる。スクロール部５７は、タービンホイール５２の外形に沿って形成されている。スクロール部５７は、排気ガスの流れに沿って、流路断面積が徐々に小さくなるように形成されている。
　本実施の形態において、第１の酸化触媒から流出した排気ガスは、スクロール部５７において一時的に溜められる。空燃比がリッチの排気ガスと空燃比がリーンの排気ガスとは、スクロール部５７において混合される。さらに、排気ガスは、タービンホイール５２に衝突して排出されることにより、より均一に混合される。図３を参照して、排出される時刻に関わらず、略一定の空燃比の排気ガスがタービン７ｂから排出される。
　図１を参照して、過給機７のタービン７ｂから排出された排気ガスは、第２の酸化触媒としての酸化触媒１４に流入する。図３を参照して、過給機の出口における排気ガスの空燃比、すなわち、第２の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比は、リーンである。第２の酸化触媒に流入する排気ガスは、通常の運転状態よりも多くの未燃燃料を含むために、通常の運転状態よりも空燃比が小さくなる。第１の酸化触媒で酸化反応を生じなかった未燃燃料が連続的に供給される。このために、第２の酸化触媒において、多くの酸化反応が連続的に生じる。第２の酸化触媒の床温を高くすることができる。第２の酸化触媒において、排気ガスの温度が上昇する。この結果、酸化触媒１４の下流に配置されているパティキュレートフィルタ１６を目標温度以上に昇温することができる。または、目標温度以上に維持することができる。このように、本実施の形態においては、第１の酸化触媒における酸化反応を抑制し、第２の酸化触媒にてパティキュレートフィルタを昇温するための酸化反応を生じさせることができる。
　本実施の形態においては、過給機から排出される排気ガスの空燃比がリーンになるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチの期間の継続時間および排気ガスの空燃比と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンの期間の継続時間および排気ガスの空燃比とが制御されている。過給機から排出される排気ガスの空燃比をリーンにすることにより、第２の酸化触媒において、ほぼ全ての未燃燃料を酸化することができる。未燃燃料が第２の酸化触媒をすり抜けることを抑制することができる。
　図９に、本実施の形態における比較例の制御を行なったときのタイムチャートの拡大図を示す。比較例の制御では、パティキュレートフィルタの昇温を行なうために、過給機の上流側に配置されている第１の酸化触媒にて多くの未燃燃料を酸化させる。第１の酸化触媒にて、多くの酸化反応を生じさせる。すなわち、第１の酸化触媒にて排気ガスの昇温を行なう。この場合には、第２の酸化触媒が配置されていなくても構わない。
　時刻ｔ_１において、パティキュレートフィルタの昇温を開始する。燃焼室において第１の補助噴射を行なう。第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比が、理論空燃比よりも大きくなるように第１の補助噴射を行う。第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比が小さい状態を継続する。第１の酸化触媒においては、継続的な酸化反応が生じる。この結果、第１の酸化触媒の床温は上昇を続ける。パティキュレートフィルタの床温が目標温度に到達するまで、第１の酸化触媒の昇温を継続する。
　図１０に、本実施の形態における繰返し制御と比較例の制御とを行なったときの機関排気通路における排気ガスの温度を説明するグラフを示す。通常運転においては、第１の酸化触媒において、機関本体から排出される未燃燃料などが酸化されて少量の発熱が生じる。第１の酸化触媒を流出した排気ガスは、過給機に流入する。過給機においては、タービンに対して仕事をすることにより、排気ガスの温度が低下する。
　パティキュレートフィルタの昇温を行なうときに繰返し制御を行った場合には、第１の酸化触媒において、少し温度が上昇する。排気ガスの空燃比がリッチになる期間において生じる酸化反応により、通常の運転よりも第１の酸化触媒の出口の温度が少し上昇する。過給機において、タービンに仕事をすることにより温度が下降する。第２の酸化触媒において、酸化反応が生じることにより、排気ガスの温度が大きく上昇して、排気ガスの温度を目標温度まで上昇させることができる。
　これに対して、比較例の制御においては、図９に示したように、第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもやや高くなる状態を維持する。このため、第１の酸化触媒において、多くの酸化反応が生じる。第１の酸化触媒の出口において、排気ガスの温度が高温になる。図１０に示す例においては、第１の酸化触媒に供給された未燃燃料のほぼ全てが消費されるため、第２の酸化触媒においては酸化反応をほとんど生じない。
　機関排気通路においては、排気ガスの温度が過給機にて下降する。さらに、機関排気通路の構成部品の吸熱および大気中への放熱があるために温度が下降する。このため、第１の酸化触媒にて排気ガスの昇温を行なうときには、パティキュレートフィルタを再生するための目温度よりも高い温度まで、排気ガスを昇温する必要がある。
　このように、第１の酸化触媒の出口における排気ガスの温度は、パティキュレートフィルタの再生を行なうための目標温度よりも高くする必要がある。すなわち、比較例の制御における第１の酸化触媒の温度は、繰返し制御を行うときの第２の酸化触媒の温度よりも高くする必要がある。比較例の制御においては、第１の酸化触媒が到達する最高温度が高くなる。このため、第１の酸化触媒の熱劣化が大きくなる。
　特に、機関本体の負荷が大きいときには、過給機における温度降下は約１００℃程度に達する。この結果、排気ガスの温度の低下量が大きくなる。または、機関本体の負荷が小さく、かつ機関本体が低回転数で運転している場合には、排気ガスの流速が遅くなる。排気ガスが第１の酸化触媒を出てパティキュレートフィルタに到達するまでの時間が長くなるために放熱量が多くなる。この結果、排気ガスの温度の低下量が大きくなる。さらに、本実施の形態におけるように、第１の酸化触媒がエンジンルームに配置され、パティキュレートフィルタがフロアパネルの下に配置される場合には、排気管の長さが長くなるために放熱量が多くなる。この場合にも、排気ガスの温度の低下量が大きくなる。第１の酸化触媒においては、これらの温度降下を補償できる温度まで、昇温する必要がある。第１の酸化触媒の出口で排気ガスの温度を高くする必要が生じる。このような場合には、第１の酸化触媒の熱劣化量がさらに大きくなっていた。
　ここで、熱劣化は、たとえば、触媒金属を担持している担持体の比表面積が小さくなる現象と、触媒金属が凝集するシンタリングを含む。担持体の比表面積が小さくなる現象は、酸化触媒の温度が上昇することにより、触媒金属を保持する担持体の表面積が小さくなる現象である。例えば、触媒金属の担持体がコージライト上に被膜されている触媒コート層から形成されている場合には、触媒コート層の表面の微細構造が崩れて表面積が小さくなる。このときに、触媒コート層の表面に配置されている触媒金属が、触媒コート層の内部に組み込まれる。この結果、触媒金属の表面積が小さくなり、浄化能力が低下する。さらに、酸化触媒の温度が高く、酸化触媒の周りの雰囲気が空気過剰である場合には、シンタリングを起こす場合がある。シンタリングとは、白金等の触媒金属の粒子同士が接合して粒径が大きくなり、この結果、触媒金属の表面積の総和が小さくなって浄化能力が低下する現象である。
　このような熱劣化は、温度の上昇に対して加速度的に熱劣化量が大きくなる。本実施の形態のように、酸化触媒が到達する最高温度を下げることにより、酸化触媒の熱劣化を大きく抑制することができる。
　また、比較例の制御においては、第１の酸化触媒の出口の排気ガスの温度が高温になるために、大気との温度差が大きくなる。第１の酸化触媒の出口からパティキュレートフィルタまでの機関排気通路において、大気に放熱される熱量が大きくなる。または、機関排気通路に配置されている構成部品に吸熱される熱量が大きくなる。これに対して、繰返し制御を行うことにより、第１の酸化触媒の出口から第２の酸化触媒の入口までの排気ガスの温度を低くすることができ、大気に放出する熱量および機関排気通路に配置されている構成部品に吸熱される熱量を小さくすることができる。すなわち、繰返し制御を行うことにより、熱損失を少なくすることができる。
　図１１に、本実施の形態における繰返し制御の周期と、それぞれの酸化触媒の床温との関係を説明するグラフを示す。横軸は、１回の排気ガスの空燃比がリッチになる期間と１回の排気ガスの空燃比がリーンになる期間とを足し合わせた１周期の長さを示し、縦軸は、それぞれの酸化触媒の床温を示している。
　第１の酸化触媒においては、繰返し制御の１周期を長くすることにより、空燃比がリッチの排気ガスと空燃比がリーンの排気ガスとが、第１の酸化触媒に流入するまでに混合されることを効果的に抑制することができる。第１の酸化触媒における酸化反応を抑制することができる。
　一方で、繰返し制御の１周期の長さを長くすると、過給機において、空燃比がリッチの排気ガスとリーンの排気ガスとの混合が不十分になり、第２の酸化触媒における酸化反応が不十分になる場合がある。すなわち、過給機による混合が不十分の場合には、空燃比がリッチの排気ガスが第２の酸化触媒に流れる。第２の酸化触媒においても、空気が不足する状態となる場合がある。図１１に示す例では、１周期の長さが時間Ｔ_Ｘ以上になると、過給機の混合が不十分になる。この場合には、未燃燃料等が第２の酸化触媒をすり抜けてしまう。１周期の長さは、時間Ｔ_Ｘ未満であることが好ましい。繰返し制御を行う場合には、２種類の排気ガスが過給機において十分に混合され、第２の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比が連続的にリーンになることが好ましい。
　また、機関本体から排出される排気ガスの空燃比についても、２種類の排気ガスが過給機において十分に混合され、第２の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比が連続的にリーンになるように制御されることが好ましい。
　このように、繰返し制御により、第１の酸化触媒において発熱が抑制され、第２の酸化触媒においてほぼ全ての未燃燃料が酸化されることが好ましい。
　なお、空燃比がリッチの排気ガスと空燃比がリーンの排気ガスを混合する能力は、混合器の性能に依存する。たとえば、混合器が過給機を含む場合には、混合の性能は過給機のスクロール部の体積に依存する。スクロール部が大きくなるほど、混合する能力が向上する。このため、スクロール部が大きくなるほど１周期の長さを長くしても十分な混合を行うことができる。
　本実施の形態においては、第１の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの期間の継続時間とリーンの期間の継続時間とがほぼ同じであるが、この形態に限られず、リッチの期間の継続時間とリーンの期間の継続時間とが互いに異なっていても構わない。また、本実施の形態においては、空燃比がリッチの期間の継続時間および排気ガスの空燃比を、ほぼ一定にしているが、この形態に限られず、空燃比がリッチの期間の継続時間または排気ガスの空燃比を、繰返し制御中に変化させても構わない。たとえば、繰返し制御中に、連続して第１の補助噴射を行う燃焼サイクルの回数を変化させても構わない。または、繰返し制御中に、燃焼室に噴射する補助噴射の燃料の量を変化させても構わない。
　また、本実施の形態においては、過給機から排出される排気ガスの空燃比がリーンになるように、繰返し制御が行なわれているが、この形態に限られず、繰返し制御は、第２の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチになるように行なわれていても構わない。
　本実施の形態においては、昇温されるべき排気処理装置としてパティキュレートフィルタを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、昇温を行うべき任意の排気処理装置を含む排気浄化装置に本発明を適用することができる。たとえば、昇温されるべき排気処理装置が、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を含んでいても構わない。
　図１２に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを一時的に吸蔵および吸着のうち少なくとも一方により保持して、保持したＮＯ_Ｘを放出するときにＮ_２に変換する触媒である。
　ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されている。触媒担体４５の表面上にはＮＯ_Ｘ吸収剤４７の層が形成されている。貴金属触媒４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯ_Ｘ吸収剤４７を構成する成分としては、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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が用いられている。
　排気ガスの空燃比がリーンのとき（理論空燃比より大きなとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが貴金属触媒４６上において酸化されてＮＯ_２になる。ＮＯ_２は、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７内に吸蔵される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき、または理論空燃比になると、ＮＯ_Ｘ吸収剤４７に吸蔵されている硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７から放出される。放出されたＮＯ_Ｘは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素等によってＮ_２に還元される。
　上記の例については、ＮＯ_Ｘの吸蔵を取り上げて説明したが、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、任意の形態でＮＯ_Ｘを保持すれば構わない。たとえば触媒担体等にＮＯ_Ｘを吸着しても構わない。
　ところで、排気ガス中にはＳＯ_Ｘ、即ちＳＯ_２が含まれている。ＳＯ_２は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７に流入すると、貴金属触媒４６において酸化されてＳＯ_３となる。このＳＯ_３はＮＯ_Ｘ吸収剤４７に吸収されて、たとえば硫酸塩ＢａＳＯ_４を生成する。硫酸塩ＢａＳＯ_４は安定していて分解しづらい。単に排気ガスの空燃比をリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ_４は分解されずにそのまま残る。または、ＳＯ_Ｘは、触媒担体等に吸着する場合がある。このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が吸収できるＮＯ_Ｘ量が低下することになる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、吸蔵および吸着のうち少なくとも一方によりＳＯ_Ｘを保持して、いわゆる硫黄被毒が生じる。
　硫黄被毒を回復するためには、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度をＳＯ_Ｘ放出が可能な温度まで上昇させる。この状態でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にするＳＯ_Ｘ放出制御を行なう。ＳＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘを放出させることができる。
　このように、ＳＯ_Ｘ放出制御を行うときに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の昇温が必要である。排気浄化装置に、昇温すべき排気処理装置としてＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置されている場合にも本発明を適用することができる。
　本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、燃焼室において第１の補助噴射ＦＰＯを行うことにより、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにしているが、この形態に限られず、排気ガスの空燃比をリッチにする任意の構成を採用することができる。
　図１３に、排気ガスの空燃比をリッチにする他の噴射パターンを示す。噴射パターンＣは、第１の補助噴射ＦＰＯの他に、第２の補助噴射ＦＡを行っている。第２の補助噴射ＦＡは、主噴射の後の燃焼可能な時期に行なわれる。第２の補助噴射は、アフター噴射ＦＡと言われる。第２の補助噴射ＦＡは、例えば圧縮上死点後のクランク角が略４０°までの範囲で行なわれる。第２の補助噴射ＦＡを行なうことにより、後燃え期間が長くなり、排気ガスの温度を上昇させることができる。また、燃焼室から排出される未燃燃料の量を増加させることができる。特に、第２の補助噴射の一部を燃焼させることにより、軽質な未燃燃料を排出させることができる。このように、第１の補助噴射ＦＰＯに加えて第２の補助噴射ＦＡを行っても構わない。なお、第２の補助噴射ＦＡは、機関出力に影響を与える場合がある。このため、第２の補助噴射は、出力トルクの変動に起因する衝撃等が生じない範囲内で行なうことが好ましい。
　本実施の形態における混合器は、過給機のタービンを含むが、この形態に限られず、混合器は、交互に排出される空燃比がリッチの排気ガスと空燃比がリーンの排気ガスとが混合できる装置であれば構わない。
　本実施の形態においては、第２の酸化触媒の下流に昇温すべき排気処理装置としてのパティキュレートフィルタが配置されているが、この形態に限られず、第２の酸化触媒が酸化機能の他の機能を有していても構わない。例えば、酸化反応を生じる触媒金属が担持されているパティキュレートフィルタが、第２の酸化触媒として機関排気通路に配置されていても構わない。
　第１の酸化触媒においても酸化機能の他の機能を有していていも構わない。また、第１の酸化触媒と過給機のタービンとの間に他の排気処理装置が配置されていても構わない。たとえば、第１の酸化触媒と過給機のタービンとの間にアンモニアを還元剤とする選択還元触媒が配置されていても構わない。
　選択還元触媒は、還元剤を供給することにより、ＮＯ_Ｘを選択的に還元する触媒である。アンモニアを還元剤にする場合には、選択還元触媒の上流側の機関排気通路に尿素等を供給する。この選択還元触媒には、ゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒が含まれる場合がある。ところが、ゼオライトは、水蒸気の存在下で高温になることにより、脱アルミニウムによる劣化を生じる場合がある。このような高温で劣化が生じる排気処理装置が第１の酸化触媒の下流に配置された場合においても繰り返し制御を行うことにより、この排気処理装置が高温になって劣化することを抑制することができる。
　本実施の形態においては、機関本体に近接して第１の酸化触媒が配置されているが、この形態に限られず、第１の酸化触媒は、機関本体と混合器との間に配置されていれば構わない。また、本実施の形態においては、複数の燃焼室から排出される全ての排気ガスが１つの第１の酸化触媒に流入しているが、この形態に限られず、複数の燃焼室から排出される排気ガスの一部が第１の酸化触媒に流入していても構わない。または、機関排気通路内に、複数個の第１の酸化触媒が配置されていても構わない。
　本実施の形態においては、機関本体の複数の全ての燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す制御を行っているが、この形態に限られず、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とが交互に繰り返されていれば構わない。機関本体が複数の燃焼室を備え、それぞれの燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチまたはリーンになるように個別に制御され、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とが交互に画定されていても構わない。
　例えば、機関本体が燃焼室としての気筒を４つ備え、第１の気筒、第３の気筒、第４の気筒および第２の気筒が、この順に膨張行程を行う内燃機関の場合に、第１の気筒、第３の気筒および第４の気筒において、この順に気筒から排出される排気ガスの空燃比をリッチにする制御を行なう。次に、第２の気筒、第１の気筒および第３の気筒において、この順に気筒から排出される排気ガスの空燃比をリーンにする制御を行なっても構わない。
　また、本実施の形態においては、第２の酸化触媒を昇温する場合に、第１の酸化触媒の酸化反応を抑制する制御を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、発熱量を第１の酸化触媒と第２の酸化触媒とに分割しても構わない。たとえば、第１の酸化触媒にて、半分程度の排気ガスの昇温を行って、第２の酸化触媒にて残りの半分程度の排気ガスの昇温を行っても構わない。この場合においても、第１の酸化触媒が到達する最高温度を低くすることができて、熱劣化を抑制することができる。
　実施の形態２
　図１４から図１６を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
　図１４は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における第２の酸化触媒としての酸化触媒１５は、酸素吸蔵能力を有する。本実施の形態における酸化触媒１５は、助触媒としてのセリア（セリウム酸化物）を含む。また、本実施の形態における内燃機関は、過給機を備えていない。機関吸気通路においては、エアクリーナ９を通った空気が、吸気ダクト６を通って吸気マニホールド４に流入する。機関排気通路においては、第１の酸化触媒としての酸化触媒１３から流出した排気ガスは、排気管１２を通って酸化触媒１５に流入する。
　本実施の形態における内燃機関は、複数の燃焼室を備える。本実施の形態における内燃機関は、４つの燃焼室２ａ~２ｄを備える。燃焼室２ａは第１の気筒に対応し、燃焼室２ｂは第２の気筒に対応し、燃焼室２ｃは第３の気筒に対応し、燃焼室２ｄは第４の気筒に対応する。
　本実施の形態においては、パティキュレートフィルタ１６を昇温すべきときに、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す反復制御を行なう。空燃比がリッチの排気ガスに含まれる未燃燃料の一部が、酸化触媒１３を通過するように反復制御を行うことは、実施の形態１における繰返し制御と同様である。反復制御を行うことにより、酸化触媒１３の温度上昇が抑制される。
　本実施の形態における第１の反復制御においては、機関本体の全ての燃焼室において、排出される排気ガスの空燃比がリッチになるように制御が行われる。または、機関本体の全ての燃焼室において、排出される排気ガスの空燃比がリーンになるように制御が行われる。すなわち、クランクシャフトが２回転する間に、第１の気筒から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる場合には、第２の気筒から第４の気筒においても排出される排気ガスの空燃比がリッチになるように制御を行なっている。
　酸化触媒１５は、空燃比がリーンの排気ガスが流入してきたときに酸素を吸蔵する。この後に、空燃比がリッチの排気ガスが流入してきたときに、吸蔵されている酸素により酸化反応を促進することができる。酸化反応のときに不足する酸素を、吸蔵されている酸素により補うことができる。このように、反復制御を行うことにより、第２の酸化触媒としての酸化触媒１５にて、多くの酸化反応を生じさせて、排気ガスの温度を上昇させることができる。
　本実施の形態おける内燃機関の排気浄化装置においても、第１の酸化触媒での酸化反応を抑制しながら、第２の酸化触媒における酸化反応を促進して、パティキュレートフィルタを昇温することができる。この結果、酸化触媒が到達する温度を下げることができて、酸化触媒の熱劣化を抑制することができる。
　反復制御を行う場合には、第２の酸化触媒において排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチのときには、吸蔵した酸素により流入するほぼ全ての未燃燃料を酸化するように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチの期間の継続時間および排気ガスの空燃比と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンの期間の継続時間および排気ガスの空燃比とを制御することが好ましい。この制御を行なうことにより、未燃燃料が第２の酸化触媒をすり抜けて、大気中に放出されることを抑制することができる。
　図１５に、本実施の形態における反復制御において、１周期の時間とそれぞれの酸化触媒の床温との関係を説明するグラフを示す。実施の形態１と同様に、１回の排気ガスの空燃比がリッチになる期間と１回の排気ガスの空燃比がリーンになる期間とを合わせて１周期とする。１周期の時間を長くすることにより、第１の酸化触媒における酸化反応を抑制し、第１の酸化触媒の床温を低くすることができることは、実施の形態１と同様である。
　第２の酸化触媒において、反復制御における１周期の時間が短い場合には、排気ガスの空燃比がリーンの期間に酸素を吸蔵しておくことができ、吸蔵しておいた酸素により酸化反応を行なうことができる。このため、第２の酸化触媒に流入するほぼ全ての未燃燃料を酸化することができる。
　これに対して、反復制御の１周期の時間が長くなると、排気ガスの空燃比がリーンの期間が長くなり、吸蔵されている酸素が飽和してしまう。また、排気ガスの空燃比がリッチになる期間が長くなると、連続して流入する未燃燃料の量が多くなる。このため、吸蔵されている酸素量が不足する場合がある。未燃燃料の酸化が不十分となり、第２の酸化触媒の床温が下がる領域が発現する。
　このため、反復制御の１周期の時間は、吸蔵される酸素が不足しないような短い時間であることが好ましい。図１５に示す例では、１周期の長さが時間Ｔ_Ｘ未満であることが好ましい。この構成により、第２の酸化触媒において、空燃比がリッチの排気ガスが流入したときに、吸蔵した酸素により未燃燃料のほぼ全てを酸化することができる。
　また、機関本体から排出される排気ガスの空燃比についても、空燃比がリッチの排気ガスが第２の酸化触媒に流入したときに、吸蔵していた酸素により未燃燃料のほぼ全てを酸化できるように制御されることが好ましい。
　このように、反復制御により、第１の酸化触媒において発熱が抑制され、第２の酸化触媒においてほぼ全ての未燃燃料が酸化されることが好ましい。
　図１６に、本実施の形態における第２の反復制御の説明図を示す。第２の反復制御においては、複数の気筒のうち、クランクシャフトが１回転する間に、それぞれの燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチまたはリーンに制御されている。本実施の形態における内燃機関では、第１の気筒、第３の気筒、第４の気筒および第２の気筒が、この順に、気筒の内部で燃焼工程を行う。
　図１６に示される例では、第１の気筒および第３の気筒において、第１の補助噴射ＦＰＯを行なうことにより、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる。機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間が画定される。この後に続く第４の気筒および第２の気筒においては、第１の補助噴射ＦＰＯが行われず、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比がリーンになる。機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンになる期間が画定される。第２の気筒における燃焼工程が終了したら、再び第１の気筒にて燃焼工程を行って、排気ガスの空燃比をリッチにしている。このように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とが繰り返されている。
　本実施の形態における第２の反復制御においては、複数の燃焼室を２つの群に分けて、排気ガスの空燃比がリーンになる期間とリッチになる期間と繰り返している。反復制御においては、それぞれの燃焼室ごとに噴射パターンを変更して、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間およびリーンになる期間を画定することができる。
　特に、本実施の形態の第２の反復制御においては、複数の気筒を等分することにより２つの気筒の群に分けたが、この形態に限られず、それぞれの気筒ごとに制御を行うことができる。例えば、第１の気筒、第３の気筒および第４の気筒において、この順に燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにする制御を行なう。次に、第２の気筒、第１の気筒および第３の気筒において、この順に燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリーンにする制御を行なっても構わない。
　本実施の形態における排気浄化装置は、昇温させるべき排気処理装置として、パティキュレートフィルタを含むが、この形態に限られず、昇温すべき排気処理装置として、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を含んでいても構わない。
　本実施の形態における第２の酸化触媒は、助触媒としてのセリアを含んでいるが、この形態に限られず、第２の酸化触媒は酸素吸蔵能力を有していれば構わない。たとえば、第２の酸化触媒は、ジルコニア等の酸素吸蔵成分を含んでいても構わない。また、本実施の形態における第２の酸化触媒は、酸化機能の他の機能を有する排気処理装置であっても構わない。
　その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
　上記の実施の形態１と実施の形態２とは、適宜組み合わせることができる。たとえば、実施の形態２において、実施の形態１と同様に過給機を配置しても構わない。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

Claims

機関排気通路内に配置されている第１の酸化触媒と、
　第１の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置されている混合器と、
　混合器よりも下流の機関排気通路内に配置されている第２の酸化触媒とを備え、
　第２の酸化触媒を昇温すべきときに、機関本体から排出された空燃比がリッチの排気ガスに含まれる未燃燃料の一部および機関本体から排出された空燃比がリーンの排気ガスが、第１の酸化触媒を通過した後に混合器により互いに混合され、混合された排気ガスが第２の酸化触媒にて酸化反応を生じるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す繰返し制御を行うことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
前記混合器は、過給機のタービンを含む、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記繰返し制御は、混合器から排出される排気ガスの空燃比がリーンになるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチの期間の継続時間および排気ガスの空燃比と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンの期間の継続時間および排気ガスの空燃比とを制御す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。
第２の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置されている排気処理装置を備え、
　前記排気処理装置は、粒子状物質を捕集することができ、蓄積する粒子状物質を燃焼させるために昇温が必要なパティキュレートフィルタ、および、吸蔵および吸着のうち少なくとも一方によりＮＯ_Ｘを保持することができ、ＮＯ_Ｘと同時に吸蔵および吸着のうち少なくとも一方により保持されるＳＯ_Ｘを放出するために昇温が必要なＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のうち少なくとも一方を含む、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
機関排気通路に配置されている第１の酸化触媒と、
　第１の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置され、酸素の吸蔵能力を有する第２の酸化触媒とを備え、
　第２の酸化触媒を昇温すべきときに、機関本体から排出された空燃比がリッチの排気ガスに含まれる未燃燃料の一部が、第１の酸化触媒を通過した後に、第２の酸化触媒において吸蔵されている酸素により酸化反応を生じるように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチになる期間とリーンになる期間とを交互に繰り返す反復制御を行うことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
前記反復制御は、第２の酸化触媒において排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素を吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチのときには吸蔵した酸素により流入するほぼ全ての未燃燃料を酸化するように、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリッチの期間の継続時間および排気ガスの空燃比と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比がリーンの期間の継続時間および排気ガスの空燃比とを制御することを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
第２の酸化触媒よりも下流の機関排気通路内に配置されている排気処理装置を備え、
　前記排気処理装置は、粒子状物質を捕集することができ、蓄積する粒子状物質を燃焼させるために昇温が必要なパティキュレートフィルタ、および、吸蔵および吸着のうち少なくとも一方によりＮＯ_Ｘを保持することができ、ＮＯ_Ｘと同時に吸蔵および吸着のうち少なくとも一方により保持されるＳＯ_Ｘを放出するために昇温が必要なＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のうち少なくとも一方を含む、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。