JP2002295229A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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Abstract
して捕集したパティキュレートをパティキュレートフィ
ルタ上で酸化させると共に、マフラを通過してパティキ
ュレート以外の有害物質が大気中へ放出されないように
することである。 【解決手段】 機関排気系に位置するマフラ100と、
マフラ内に配置されて、排気ガス中のパティキュレート
を捕集し、捕集したパティキュレートが酸化させられる
パティキュレートフィルタ70と、マフラ内に配置され
て、パティキュレートフィルタの下流側に位置する触媒
装置75、とを具備する。
Description
化装置に関する。
排気ガス中には煤を主成分とするパティキュレートが含
まれている。パティキュレートは有害物質であるため
に、大気放出以前にパティキュレートを捕集するための
フィルタを機関排気系に配置することが提案されてい
る。このようなフィルタは、目詰まりによる排気抵抗の
増加を防止するために、捕集したパティキュレートを焼
失させることが必要である。
キュレートは約600°Cとなれば着火燃焼するが、デ
ィーゼルエンジンの排気ガス温度は、通常時において6
00°Cよりかなり低く、通常はフィルタ自身を加熱す
る等の手段が必要である。
族金属とアルカリ土金属酸化物とをフィルタに担持させ
れば、フィルタ上のパティキュレートは、ディーゼルエ
ンジンの通常時の排気ガス温度である約400°Cで連
続的に焼失することが開示されている。
って、排気ガス中のパティキュレートを大気放出以前に
焼失させることができたとしても、パティキュレートフ
ィルタは、それ自身が大きな排気抵抗となることを防止
するために、機関排気系の通路断面積に比較して大きな
断面積を有しており、実際的には、機関排気系に配置す
るのは容易なことではない。
の配置を容易にするために、実開平1−149515号
公報には、機関排気系において比較的大きな断面積を有
するマフラ内にパティキュレートフィルタを配置するこ
とが提案されている。
レートフィルタをマフラ内に配置することで車両搭載性
の問題は解決される。ところで、パティキュレートフィ
ルタが配置されたマフラを通過する排気ガス中に、パテ
ィキュレート以外の有害物質が含まれていることがあ
り、これらの有害物質を浄化するための触媒装置が必要
である。このような触媒装置をマフラの下流側に配置す
ると、機関本体から遠く離れていて排気ガスによる昇温
が困難となるために、触媒装置において触媒が活性化せ
ず、マフラを通過する有害物質は良好に浄化されずに大
気中へ放出されてしまう。
トフィルタをマフラ内に配置して捕集したパティキュレ
ートをパティキュレートフィルタ上で酸化させると共
に、マフラを通過してパティキュレート以外の有害物質
が大気中へ放出されないようにす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である。
記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に位置す
るマフラと、前記マフラ内に配置されて、排気ガス中の
パティキュレートを捕集し、捕集した前記パティキュレ
ートが酸化させられるパティキュレートフィルタと、前
記マフラ内に配置されて、前記パティキュレートフィル
タの下流側に位置する触媒装置、とを具備することを特
徴とする。
機関の排気浄化装置は、請求項1に記載の内燃機関の排
気浄化装置において、前記マフラ内は少なくとも第一室
と第二室とに区画され、前記第二室より上流側に位置す
る前記第一室内には前記パティキュレートフィルタが配
置され、前記第二室には前記触媒装置が配置され、前記
第一室における前記パティキュレートフィルタの排気上
流側と排気下流側とを逆転するための逆転手段を具備
し、前記パティキュレートフィルタはパティキュレート
を捕集するための捕集壁を有し、前記捕集壁は第一捕集
面と第二捕集面とを有し、前記逆転手段によって前記パ
ティキュレートフィルタの排気下流側と排気上流側とが
逆転されることによりパティキュレートを捕集するため
に前記捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交
互に使用されることを特徴とする。
機関の排気浄化装置は、請求項1又は2に記載の内燃機
関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィ
ルタには活性酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出
剤から放出される活性酸素がパティキュレートを酸化さ
せることを特徴とする。
機関の排気浄化装置は、請求項3に記載の内燃機関の排
気浄化装置において、前記活性酸素放出剤は、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
で放出することを特徴とする。
機関の排気浄化装置は、請求項1から4のいずれかに記
載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置は
酸化触媒を担持していることを特徴とする。
機関の排気浄化装置は、請求項1から4のいずれかに記
載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒装置は
NO X触媒を担持していることを特徴とする。
置を備える4ストロークディーゼルエンジンの概略縦断
面図を示しており、図2は図1のディーゼルエンジンに
おける燃焼室の拡大縦断面図であり、図3は図1のディ
ーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの底面図であ
る。図1から図3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、
5aはピストン4の頂面上に形成されたキャビティ、5
はキャビティ5a内に形成された燃焼室、6は電気制御
式燃料噴射弁、7は一対の吸気弁、8は吸気ポート、9
は一対の排気弁、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1
2に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介
してエアクリーナ14に連結される。吸気ダクト13内
には電気モータ15により駆動されるスロットル弁16
が配置される。一方、排気ポート10は排気マニホルド
17へ接続される。
内には空燃比センサ21が配置される。排気マニホルド
17とサージタンク12とはEGR通路22を介して互
いに連結され、EGR通路22内には電気制御式EGR
制御弁23が配置される。また、EGR通路22回りに
はEGR通路22内を流れるEGRガスを冷却するため
の冷却装置24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24内に導かれ、機関冷却水に
よってEGRガスが冷却される。
介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール26に連結
される。このコモンレール26内へは電気制御式の吐出
量可変な燃料ポンプ27から燃料が供給され、コモンレ
ール26内に供給された燃料は各燃料供給管25を介し
て燃料噴射弁6に供給される。コモンレール26にはコ
モンレール26内の燃料圧を検出するための燃料圧セン
サ28が取付けられ、燃料圧センサ28の出力信号に基
づいてコモンレール26内の燃料圧が目標燃料圧となる
ように燃料ポンプ27の吐出量が制御される。
ンサ21の出力信号と、燃料圧センサ28の出力信号と
が入力される。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、電子制御ユニット30に
は、負荷センサ41の出力信号も入力され、さらに、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の出力信号も入力され
る。こうして、電子制御ユニット30は、各種信号に基
づき、燃料噴射弁6、電気モータ15、EGR制御弁2
3、及び、燃料ポンプ27を作動する。
る実施例では燃料噴射弁6が6個のノズル口を有するホ
ールノズルからなり、燃料噴射弁6のノズル口からは水
平面に対しやや下向きに等角度間隔でもって燃料Fが噴
射される。図3に示されるように6個の燃料噴霧Fのう
ちで2個の燃料噴霧Fは各排気弁9の弁体の下側面に沿
って飛散する。図2及び図3は圧縮行程末期に燃料噴射
が行われた時を示している。この時には燃料噴霧Fはキ
ャビティ5aの内周面に向けて進み、次いで着火燃焼せ
しめられる。
ト量が最大の時に燃料噴射弁6から追加の燃料が噴射さ
れた場合を示している。即ち、図5に示されるように圧
縮上死点付近において主噴射Qmが行われ、次いで排気
行程の中ほどで追加の燃料Qaが噴射された場合を示し
ている。この場合、排気弁9の弁体方向に進む燃料噴霧
Fは排気弁9の傘部背面と排気ポート10との間に向か
う。即ち、云い換えると燃料噴射弁6の6個のノズル口
のうちで2個のノズル口は、排気弁9が開弁している時
に追加の燃料Qaの噴射が行われると燃料噴霧Fが排気
弁9の傘部背面と排気ポート10との間に向かうように
形成されている。なお、図4に示す実施例ではこの時に
燃料噴霧Fが排気弁9の傘部背面に衝突し、排気弁9の
傘部背面に衝突した燃料噴霧Fは排気弁9の傘部背面上
において反射し、排気ポート10内に向かう。
主噴射Qmのみが行われる。図6は機関低負荷運転時に
おいてスロットル弁16の開度及びEGR率を変化させ
ることにより空燃比A/F(図6の横軸)を変化させた
ときの出力トルクの変化、及びスモーク、HC、CO、
NOxの排出量の変化を示す実験例を表している。図6
からわかるようにこの実験例では空燃比A/Fが小さく
なるほどEGR率が大きくなり、理論空燃比(≒14.
6)以下のときにはEGR率は65パーセント以上とな
っている。
ことにより空燃比A/Fを小さくしていくとEGR率が
40パーセント付近となり空燃比A/Fが30程度にな
った時にスモークの発生量が増大を開始する。次いで、
更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくするとスモ
ークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで
更にEGR率を高め、空燃比A/Fを小さくすると今度
はスモークが急激に低下し、EGR率を65パーセント
以上とし、空燃比A/Fが15.0付近になるとスモー
クがほぼ零となる。即ち、煤がほとんど発生しなくな
る。この時に機関の出力トルクは若干低下し、またNO
xの発生量がかなり低くなる。一方、この時にHC及び
COの発生量は増大し始める。
モークの発生量が最も多い時の燃焼室5内の燃焼圧変化
を示しており、図7(B)は空燃比A/Fが18付近で
スモークの発生量がほぼ零の時の燃焼室5内における燃
焼圧の変化を示している。図7(A)と図7(B)とを
比較すればわかるようにスモークの発生量がほぼ零であ
る図7(B)に示す場合はスモークの発生量が多い図7
(A)に示す場合に比べて燃焼圧が低いことがわかる。
ことが言える。即ち、まず第1に空燃比A/Fが15.
0以下でスモークの発生量がほぼ零の時には図6に示さ
れるようにNOxの発生量がかなり低下する。NOxの発
生量が低下したということは燃焼室5内の燃焼温度が低
下していることを意味しており、従って煤がほとんど発
生しない時には燃焼室5内の燃焼温度が低くなっている
と言える。同じことが図7からも言える。即ち、煤がほ
とんど発生していない図7(B)に示す状態では燃焼圧
が低くなっており、従ってこの時に燃焼室5内の燃焼温
度は低くなっていることになる。
がほぼ零になると図6に示されるようにHC及びCOの
排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せ
ずに排出されることを意味している。即ち、燃料中に含
まれる図8に示されるような直鎖状炭化水素や芳香族炭
化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると熱分
解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集
合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の
煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形
態をとるかは明確ではないがいずれにしても図8に示さ
れるような炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長する
ことになる。従って、上述したように煤の発生量がほぼ
零になると図6に示される如くHC及びCOの排出量が
増大するがこの時のHCは煤の前駆体又はその前の状態
の炭化水素である。
これらの考察をまとめると燃焼室5内の燃焼温度が低い
時には煤の発生量がほぼ零になり、この時には煤の前駆
体又はその前の状態の炭化水素が燃焼室5から排出され
ることになる。このことについて更に詳細に実験研究を
重ねた結果、燃焼室5内における燃料及びその周囲のガ
ス温度が或る温度以下である場合には煤の成長過程が途
中で停止してしまい、即ち煤が全く発生せず、燃焼室5
内における燃料及びその周囲の温度が或る温度以下にな
ると煤が生成されることが判明したのである。
成過程が停止する時の燃料及びその周囲の温度、即ち上
述の或る温度は燃料の種類や空燃比や圧縮比等の種々の
要因によって変化するので何度であるかということは言
えないが、この或る温度はNOxの発生量と深い関係を
有しており、従ってこの或る温度はNOxの発生量から
或る程度規定することができる。即ち、EGR率が増大
するほど燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度は低下
し、NOxの発生量が低下する。この時においてNOxの
発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になった時に煤が
ほとんど発生しなくなる。従って上述の或る温度はNO
xの発生量が10p.p.m 前後又はそれ以下になった時の
温度にほぼ一致する。
機能を有する触媒を用いた後処理でもって浄化すること
はできない。これに対して煤の前駆体又はその前の状態
の炭化水素は酸化機能を有する触媒を用いた後処理でも
って容易に浄化することができる。このように、NOx
の発生量を低減すると共に炭化水素を煤の前駆体又はそ
の前の状態で燃焼室5から排出させることは排気ガスの
浄化に極めて有効である。
の成長を停止させるには燃焼室5内における燃焼時の燃
料及びその周囲のガス温度を煤が生成される温度よりも
低い温度に抑制する必要がある。この場合、燃料及びそ
の周囲のガス温度を抑制するには燃料が燃焼した際の燃
料回りにおけるガスの吸熱作用が極めて大きく影響する
ことが判明している。
発した燃料はただちに空気中の酸素と反応して燃焼す
る。この場合、燃料から離れている空気の温度はさほど
上昇せず、燃料回りの温度のみが局所的に極めて高くな
る。即ち、この時には燃料から離れている空気は燃料の
燃焼熱の吸熱作用をほとんど行わない。この場合には燃
焼温度が局所的に極めて高くなるために、この燃焼熱を
受けた未燃炭化水素は煤を生成することになる。
合ガス中に燃料が存在する場合には若干状況が異なる。
この場合には蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に
混在する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合
には燃焼熱は回りの不活性ガスに吸収されるために燃焼
温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑
えることができることになる。即ち、燃焼温度を抑制す
るには不活性ガスの存在が重要な役割を果しており、不
活性ガスの吸熱作用によって燃焼温度を低く抑えること
ができることになる。
煤が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそう
するのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が
必要となる。従って燃料量が増大すれば必要となる不活
性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、こ
の場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用は強力
となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好まし
いことになる。この点、CO2やEGRガスは比較的比
熱が大きいので不活性ガスとしてEGRガスを用いるこ
とは好ましいと言える。
い、EGRガスの冷却度合を変えたときのEGR率とス
モークとの関係を示している。即ち、図9において曲線
AはEGRガスを強力に冷却してEGRガス温をほぼ9
0°Cに維持した場合を示しており、曲線Bは小型の冷
却装置でEGRガスを冷却した場合を示しており、曲線
CはEGRガスを強制的に冷却していない場合を示して
いる。
を強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセントよ
りも少し低いところで煤の発生量がピークとなり、この
場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。一方、図9の曲線Bで示さ
れるようにEGRガスを少し冷却した場合にはEGR率
が50パーセントよりも少し高いところで煤の発生量が
ピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ65パーセ
ント以上にすれば煤がほとんど発生しなくなる。
Rガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が5
5パーセントの付近で煤の発生量がピークとなり、この
場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすれば煤
がほとんど発生しなくなる。なお、図9は機関負荷が比
較的高い時のスモークの発生量を示しており、機関負荷
が小さくなると煤の発生量がピークとなるEGR率は若
干低下し、煤がほとんど発生しなくなるEGR率の下限
も若干低下する。このように煤がほとんど発生しなくな
るEGR率の下限はEGRガスの冷却度合や機関負荷に
応じて変化する。
いた場合において燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度
を煤が生成される温度よりも低い温度にするために必要
なEGRガスと空気の混合ガス量、及びこの混合ガス量
中の空気の割合、及びこの混合ガス中のEGRガスの割
合を示している。なお、図10において縦軸は燃焼室5
内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Yは過
給が行われないときに燃焼室5内に吸入しうる全吸入ガ
ス量を示している。また、横軸は要求負荷を示してお
り、Z1は低負荷運転領域を示している。
ガス中の空気量は噴射された燃料を完全に燃焼せしめる
のに必要な空気量を示している。即ち、図10に示され
る場合では空気量と噴射燃料量との比は理論空燃比とな
っている。一方、図10においてEGRガスの割合、即
ち混合ガス中のEGRガス量は噴射燃料が燃焼せしめら
れたときに燃料及びその周囲のガス温度を煤が形成され
る温度よりも低い温度にするのに必要最低限のEGRガ
ス量を示している。このEGRガス量はEGR率で表す
とほぼ55パーセント以上であり、図10に示す実施例
では70パーセント以上である。即ち、燃焼室5内に吸
入された全吸入ガス量を図10において実線Xとし、こ
の全吸入ガス量Xのうちの空気量とEGRガス量との割
合を図10に示すような割合にすると燃料及びその周囲
のガス温度は煤が生成される温度よりも低い温度とな
り、斯くして煤が全く発生しなくなる。また、このとき
のNOx発生量は10p.p.m 前後、又はそれ以下であ
り、従ってNOxの発生量は極めて少量となる。
の発熱量が増大するので燃料及びその周囲のガス温度を
煤が生成される温度よりも低い温度に維持するためには
EGRガスによる熱の吸収量を増大しなければならな
い。従って図10に示されるようにEGRガス量は噴射
燃料量が増大するにつれて増大せしめなければならな
い。即ち、EGRガス量は要求負荷が高くなるにつれて
増大する必要がある。
を阻止するのに必要な全吸入ガス量Xが吸入しうる全吸
入ガス量Yを越えてしまう。従ってこの場合、煤の発生
を阻止するのに必要な全吸入ガス量Xを燃焼室5内に供
給するにはEGRガス及び吸入空気の双方、或いはEG
Rガスを過給又は加圧する必要がある。EGRガス等を
過給又は加圧しない場合には負荷領域Z2では全吸入ガ
ス量Xは吸入しうる全吸入ガス量Yに一致する。従って
この場合、煤の発生を阻止するためには空気量を若干減
少させてEGRガス量を増大すると共に空燃比がリッチ
のもとで燃料を燃焼せしめることになる。
のもとで燃焼させる場合を示しているが図10に示され
る低負荷運転領域Z1において空気量を図10に示され
る空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにして
も煤の発生を阻止しつつNO xの発生量を10p.p.m 前
後又はそれ以下にすることができ、また図10に示され
る低負荷領域Z1において空気量を図10に示される空
気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を17から
18のリーンにしても煤の発生を阻止しつつNOxの発
生量を10p.p.m 前後又はそれ以下にすることができ
る。
剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために
過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くして煤が生成される
ことがない。また、このときNOxも極めて少量しか発
生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空
燃比が理論空燃比の時でも燃焼温度が高くなれば少量の
煤が生成されるが本発明では燃焼温度が低い温度に抑制
されているので煤は全く生成されない。更に、NOxも
極めて少量しか発生しない。
空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろう
と、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーン
であろうと煤が発生されず、NOxの発生量が極めて少
量となる。従って燃料消費率の向上を考えるとこのとき
平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止す
る温度以下に抑制しうるのは燃焼による発熱量が少ない
比較的機関負荷が低いときに限られる。従って本発明に
よる実施例では機関負荷が比較的低い時には燃焼時の燃
料及びその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停
止する温度以下に抑制して第一燃焼、即ち低温燃焼を行
うようにし、機関負荷が比較的高いときには第二燃焼、
即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにして
いる。なお、ここで第一燃焼、即ち低温燃焼とはこれま
での説明から明らかなように煤の発生量が最大となる最
悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く煤
がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第二燃焼、即
ち従来より普通に行われている燃焼とは煤の発生量が最
大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス
量が少ない燃焼のことを言う。
る第1の運転領域Iと、第二燃焼、即ち従来の燃焼方法
による燃焼が行われる第2の燃焼領域IIとを示してい
る。なお、図11において縦軸Lはアクセルペダル40
の踏込み量、即ち要求負荷を示しており、横軸Nは機関
回転数を示している。また、図11においてX(N)は
第1の運転領域Iと第2の運転領域IIとの第1の境界を
示しており、Y(N)は第1の運転領域Iと第2の運転
領域IIとの第2の境界を示している。第1の運転領域I
から第2の運転領域IIへの運転領域の変化判断は第1の
境界X(N)に基づいて行われ、第2の運転領域IIから
第1の運転領域Iへの運転領域の変化判断は第2の境界
Y(N)に基づいて行われる。
にあって低温燃焼が行われている時に要求負荷Lが機関
回転数Nの関数である第1の境界X(N)を越えると運
転領域が第2の運転領域IIに移ったと判断され、従来の
燃焼方法による燃焼が行われる。次いで要求負荷Lが機
関回転数Nの関数である第2の境界Y(N)よりも低く
なると運転領域が第1の運転領域Iに移ったと判断さ
れ、再び低温燃焼が行われる。
いる。図12に示されるように空燃比センサ21の出力
電流Iは空燃比A/Fに応じて変化する。従って空燃比
センサ21の出力電流Iから空燃比を知ることができ
る。次に図13を参照しつつ第1の運転領域I及び第2
の運転領域IIにおける運転制御について概略的に説明す
る。
16の開度、EGR制御弁23の開度、EGR率、空燃
比、噴射時期及び噴射量を示している。図13に示され
るように要求負荷Lの低い第1の運転領域Iではスロッ
トル弁16の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉
近くから半開程度まで徐々に増大せしめられ、EGR制
御弁23の開度は要求負荷Lが高くなるにつれて全閉近
くから全開まで徐々に増大せしめられる。また、図13
に示される例では第1の運転領域IではEGR率がほぼ
70パーセントとされており、空燃比はわずかばかりリ
ーンなリーン空燃比とされている。
率がほぼ70パーセントとなり、空燃比がわずかばかり
リーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁16の
開度及びEGR制御弁23の開度が制御される。なお、
この時の空燃比は空燃比センサ21の出力信号に基づい
てEGR制御弁23の開度を補正することによって目標
リーン空燃比に制御される。また、第1の運転領域Iで
は圧縮上死点TDC前に燃料噴射が行われる。この場
合、噴射開始時期θSは要求負荷Lが高くなるにつれて
遅くなり、噴射完了時期θEも噴射開始時期θSが遅く
なるにつれて遅くなる。
弁16は全閉近くまで閉弁され、この時にはEGR制御
弁23も全閉近くまで閉弁せしめられる。スロットル弁
16を全閉近くまで閉弁すると圧縮始めの燃焼室5内の
圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力
が小さくなるとピストン4による圧縮仕事が小さくなる
ために機関本体1の振動が小さくなる。即ち、アイドリ
ング運転時には機関本体1の振動を抑制するためにスロ
ットル弁16が全閉近くまで閉弁せしめられる。
から第2の運転領域IIに変わるとスロットル弁16の開
度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめら
れる。この時に図13に示す例ではEGR率がほぼ70
パーセントから40パーセント以下までステップ状に減
少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即
ち、EGR率が多量のスモークを発生するEGR率範囲
(図9)を飛び越えるので機関の運転領域が第1の運転
領域Iから第2の運転領域IIに変わるときに多量のスモ
ークが発生することがない。
る燃焼が行われる。この燃焼方法では煤及びNOXが若
干発生するが低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機
関の運転領域が第1の運転領域Iから第2の運転領域II
に変わると図13に示されるように噴射量がステップ状
に低減せしめられる。
一部を除いて全開状態に保持され、EGR制御弁23の
開度は要求負荷Lが高くなると次第に小さくされる。こ
の運転領域IIではEGR率は要求負荷Lが高くなるほど
低くなり、空燃比は要求負荷Lが高くなるほど小さくな
る。ただし、空燃比は要求負荷Lが高くなってもリーン
空燃比とされる。また、第2の運転領域IIでは噴射開始
時期θSは圧縮上死点TDC付近とされる。
A/Fを示している。図14において、A/F=15.
5、A/F=16、A/F=17、A/F=18で示さ
れる各曲線は夫々空燃比が15.5、16、17、18
である時を示しており、各曲線間の空燃比は比例配分に
より定められる。図14に示されるように第1の運転領
域Iでは空燃比がリーンとなっており、更に第1の運転
領域Iでは要求負荷Lが低くなるほど空燃比A/Fがリ
ーンとされる。
る発熱量が少なくなる。従って要求負荷Lが低くなるほ
どEGR率を低下させても低温燃焼を行うことができ
る。EGR率を低下させると空燃比は大きくなり、従っ
て図14に示されるように要求負荷Lが低くなるにつれ
て空燃比A/Fが大きくされる。空燃比A/Fが大きく
なるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比
をリーンにするために本実施例では要求負荷Lが低くな
るにつれて空燃比A/Fが大きくされる。
するのに必要なスロットル弁16の目標開度STが図1
5(A)に示されるように要求負荷L及び機関回転数N
の関数としてマップの形で予めROM32内に記憶され
ており、空燃比を図14に示す目標空燃比とするのに必
要なEGR制御弁23の目標開度SEが図15(B)に
示されるように要求負荷L及び機関回転数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。
よる普通の燃焼が行われるときの目標空燃比を示してい
る。なお、図16においてA/F=24、A/F=3
5、A/F=45、A/F=60で示される各曲線は夫
々目標空燃比24、35、45、60を示している。空
燃比をこの目標空燃比とするのに必要なスロットル弁1
6の目標開度STが図17(A)に示されるように要求
負荷L及び機関回転数Nの関数としてマップの形で予め
ROM32内に記憶されており、空燃比をこの目標空燃
比とするのに必要なEGR制御弁23の目標開度SEが
図17(B)に示されるように要求負荷L及び機関回転
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。
では、アクセルペダル40の踏み込み量L及び機関回転
数Nとに基づき、第一燃焼、すなわち、低温燃焼と、第
二燃焼、すなわち、普通の燃焼とが切り換えられ、各燃
焼において、アクセルペダル40の踏み込み量L及び機
関回転数Nとに基づき、図15又は図17に示すマップ
によってスロットル弁16及びEGR弁の開度制御が実
施される。
ある。本排気浄化装置は、マフラ100内に構成されて
いる。マフラ100は、例えば、機関排気系の最下流部
に位置している。マフラ100内は、互いに長手方向に
隣接する第一室101、第二室102、及び第三室10
3に区画されている。最も上流側に位置する第一室10
1には、パティキュレートフィルタ70が、その両側に
それぞれ空間を残して配置されている。マフラ100の
外側には、マフラ100を機関排気系に接続する切換部
71が設けられている。切換部71は、機関排気系との
接続に使用される上流側開口71bと、上流側開口71
bに対向する下流側開口71cと、上流側開口71bと
下流側開口71cとを遮断可能な切換弁71aとを有し
ている。
体71aの一方の遮断位置において上流側開口71bと
連通する第一開口71dと、下流側開口71cと連通す
る第二開口71eとが設けられている。この第一開口7
1dは、第一接続管72によってマフラ100内の第一
室101における一方の空間に連通されている。また、
切換部71の第二開口71eは、第二接続管73によっ
てマフラ100内の第一室101における他方の空間に
連通されている。また、切換部71の下流側開口71c
は、第三接続管74によってマフラ100内の第二室1
02へ連通されている。
三室103が隣接し、第三室103に第二室102が隣
接している。第二室102には、触媒装置75が、その
両側にそれぞれ空間を残して配置されている。第三接続
管74は、第一室101の一方の空間、他方の空間、及
びパティキュレートフィルタ70と、第三室103と、
第二室102の他方の空間及び触媒装置75とを貫通し
て、第二室102の一方の空間に開口している。
気ガスは、図18に矢印で示すように、上流側開口71
bから切換部71へ流入した後に、第一開口71dから
第一接続管72を介してマフラ100の第一室101に
おける一方の空間へ流入し、第一室101において一方
の空間から他方の空間へ向けてパティキュレートフィル
タ70を通過する。その後、第一室101の他方の空間
から第二接続管73を介して切換部71の第二開口71
eへ達し、切換部71の下流側開口71cを通り、第三
接続管74を介して、マフラ100の第二室102にお
ける一方の空間へ流入する。その後、第二室102にお
いて一方の空間から他方の空間へ触媒装置75を通過
し、第二室102の他方の空間と第三室103とを連通
する第一連通管104を介して第三室103へ流入し、
第二室102を貫通して第三室103とマフラ100外
部とを連通する第二連通管105を介して第三室103
から大気中へ放出される。
101は最も上流側となり、第一室101に隣接する第
三室103ではなくて第二室102が次に上流側とな
り、第三室103は最も下流側となっている。第二室1
02の実質的な容積、すなわち、第三接続管74、第二
連通管105、及び触媒装置75の担体自身(担体内の
空間は含まれない)によって排除される容積を除いた容
積は、第一室101及び第三室103の同様な実質的な
容積に比較して小さくなっており、それにより、排気ガ
スは、第一室101から第二室102へ流入する際に収
縮し、第二室102から第三室103へ流入する際に膨
張することにより、音圧が下げられる。
テップモータ等によって回動され、前述した図18に示
す一方の遮断位置だけでなく、図19に示す他方の遮断
位置とすることができる。この他方の遮断位置におい
て、排気ガスは、図19に矢印で示すように、上流側開
口71bから切換部71へ流入した後に、第二開口71
eから第二接続管73を介してマフラ100の第一室1
01における他方の空間へ流入し、第一室101におい
て他方の空間から一方の空間へ向けてパティキュレート
フィルタ70を通過する。その後、第一室101の一方
の空間から第一接続管72を介して切換部71の第一開
口71dへ達し、切換部71の下流側開口71cを通
り、第三接続管74へ流入する。その後は、一方の遮断
位置と同様に、第二室102において触媒装置75を通
過して第三室103へ流入し、大気中へ放出される。
部71を有すると共にパティキュレートフィルタ70が
マフラ100内の区画された第一室101内に配置され
ているために、弁体71aを遮断位置の一方から他方へ
切り換えることにより、第一室101に配置されたパテ
ィキュレートフィルタ70の排気上流側と排気下流側と
を容易に逆転することが可能となる。いずれの遮断位置
においても、排気ガスは、マフラ100において、第一
室101から第二室102を介して第三室103へ流入
するために、音圧を良好に低減することができる。
から他方へ切り換える時に、弁体71aは図20に示す
ような中間位置となり、排気ガスは、図20に矢印で示
すように、マフラ100の第一室101を通過すること
なく、すなわち、パティキュレートフィルタ70を通過
することなく、第二室102へ流入することとなる。
気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積が必要
とされるが、本排気浄化装置では、機関排気系において
本来的に大きな断面積を有するマフラ内にパティキュレ
ートフィルタを配置することにより、容易に車両搭載が
可能となる。
構造を示す。なお、図21において、(A)はパティキ
ュレートフィルタ70の正面図であり、(B)は側面断
面図(第三接続管74の貫通位置とは異なる位置での側
面断面図)である。これらの図に示すように、本パティ
キュレートフィルタ70は、図18に示される横幅が高
さに比較して大きな長円正面形状を有し、例えば、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構
造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線方向に延
在する隔壁54によって細分された多数の軸線方向空間
を有している。隣接する二つの軸線方向空間において、
栓53によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は
排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸
線方向空間の一方は排気ガスの流入通路50となり、他
方は流出通路51となり、排気ガスは、図21(B)に
矢印で示すように、必ず隔壁54を通過する。排気ガス
中のパティキュレートは、隔壁54の細孔の大きさに比
較して非常に小さいものであるが、隔壁54の排気上流
側表面及び隔壁54内の細孔表面上に衝突して捕集され
る。こうして、各隔壁54は、パティキュレートを捕集
する捕集壁として機能する。本パティキュレートフィル
タ70において、捕集されたパティキュレートを酸化除
去するために、隔壁54の両側表面上、及び、好ましく
は隔壁54内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以
下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持され
ている。
ことによってパティキュレートの酸化を促進するもので
あり、好ましくは、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ものである。
いられており、活性酸素放出剤としてカリウムK、ナト
リウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウム
Rbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウム
Ca、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類金属、
ランタンLa、イットリウムYのような希土類、および
遷移金属から選ばれた少なくとも一つが用いられてい
る。
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。
るパティキュレートフィルタによって、捕集されたパテ
ィキュレートがどのように酸化除去されるかについて、
白金PtおよびカリウムKの場合を例にとって説明す
る。他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希
土類、遷移金属を用いても同様なパティキュレート除去
作用が行われる。
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、吸気通路および燃焼室内に供給され
た空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると、こ
の空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室内ではN
O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は燃焼室内で酸素と反応してSO2となる。従って排
気ガス中にはSO2が含まれている。従って過剰酸素、
NOおよびSO2を含んだ排気ガスがパティキュレート
フィルタ70の排気上流側へ流入することになる。
ートフィルタ70における排気ガス接触面の拡大図を模
式的に表わしている。なお、図22(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。
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
ィルタの排ガス接触面内に接触すると、図22(A)に
示されるようにこれら酸素O2がO2 -又はO2-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22(A)に
示されるように硝酸イオンNO3 -の形で活性酸素放出剤
61内に拡散し、硝酸カリウムKNO3を生成する。こ
のようにして、本実施例では、排気ガスに含まれるNO
xをパティキュレートフィルタ70に吸収し、大気中へ
の放出量を大幅に減少させることができる。
2も含まれており、このSO2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O2がO2 -又はO2-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O2-と反応してSO3となる。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を生成する。このよう
にして活性酸素放出触媒61内には硝酸カリウムKNO
3および硫酸カリウムK2SO4が生成される。
(B)において62で示されるように、パティキュレー
トフィルタに担持された活性酸素放出剤61の表面上に
付着する。この時、パティキュレート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
素がパティキュレート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KNO3がカ
リウムKと酸素OとNOとに分解され、酸素Oがパティ
キュレート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。
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、酸素Oがパティキュレート6
2と活性酸素放出剤61との接触面に向かい、SO2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に、硝酸カリウ
ムKNO3に比べて活性酸素を放出し難い。
出剤61との接触面に向かう酸素Oは硝酸カリウムKN
O3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。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
パティキュレート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がパティキュレート62に接触するとパティキュレ
ート62は数分から数十分の短時間で輝炎を発すること
なく酸化せしめられる。また、パティキュレート62を
酸化する活性酸素Oは、活性酸素放出剤61へNO及び
SO2が吸収される時にも放出される。すなわち、NOX
は酸素原子の結合及び分離を繰り返しつつ活性酸素放出
剤61内において硝酸イオンNO3 -の形で拡散するもの
と考えられ、この間にも活性酸素が発生する。パティキ
ュレート62はこの活性酸素によっても酸化せしめられ
る。また、このようにパティキュレートフィルタ70上
に付着したパティキュレート62は活性酸素Oによって
酸化せしめられるがこれらパティキュレート62は排気
ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。
はパティキュレートフィルタ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から放出
される活性酸素Oの量はパティキュレートフィルタの温
度が高くなるほど増大する。また、当然のことながら、
パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易
くなる。従ってパティキュレートフィルタ上において単
位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを
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
トフィルタの温度が高くなるほど増大する。
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
しており、図23において横軸はパティキュレートフィ
ルタの温度TFを示している。なお、図23は単位時間
を1秒とした場合の、すなわち、1秒当たりの酸化除去
可能微粒子量Gを示しているがこの単位時間としては、
1分、10分等任意の時間を採用することができる。例
えば、単位時間として10分を用いた場合には単位時間
当たりの酸化除去可能微粒子量Gは10分間当たりの酸
化除去可能微粒子量Gを表すことになり、この場合でも
パティキュレートフィルタ70上において単位時間当た
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は図23に示されるようにパティキュレート
フィルタ70の温度が高くなるほど増大する。
るパティキュレート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量Gよりも少な
いとき、例えば、1秒当たりの排出微粒子量Mが1秒当
たりの酸化除去可能微粒子量Gよりも少ないとき、或い
は10分当たりの排出微粒子量Mが10分当たりの酸化
除去可能微粒子量Gよりも少ないとき、即ち図23の領
域Iでは燃焼室から排出された全てのパティキュレート
がパティキュレートフィルタ70上において輝炎を発す
ることなく順次短時間のうちに酸化除去せしめられる。
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23の領域IIでは全てのパティ
キュレートを順次酸化するには活性酸素量が不足してい
る。図24(A)〜(C)はこのような場合におけるパ
ティキュレートの酸化の様子を示している。
には活性酸素量が不足している場合には図24(A)に
示すようにパティキュレート62が活性酸素放出剤61
上に付着するとパティキュレート62の一部のみが酸化
され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分が
パティキュレートフィルタの排気上流側面上に残留す
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パティキュレート部分が
排気上流面上に残留し、その結果図24(B)に示され
るようにパティキュレートフィルタの排気上流面が残留
パティキュレート部分63によって覆われるようにな
る。
は、次第に酸化され難いカーボン質に変質し、また、排
気上流面が残留パティキュレート部分63によって覆わ
れると白金PtによるNO,SO2の酸化作用及び活性
酸素放出剤61による活性酸素の放出作用が抑制され
る。それにより、時間を掛ければ徐々に残留パティキュ
レート部分63を酸化させることができるが、図24
(C)に示されるように残留パティキュレート部分63
の上に別のパティキュレート64が次から次へと堆積す
る。即ち、パティキュレートが積層状に堆積すると、こ
れらパティキュレートは、白金Ptや活性酸素放出剤か
ら距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキ
ュレートであっても活性酸素によって酸化されることは
ない。従ってこのパティキュレート64上に更に別のパ
ティキュレート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上にはパティキュレ
ートが積層状に堆積してしまう。
レートはパティキュレートフィルタ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23の
領域IIではパティキュレートがパティキュレートフィル
タ上に積層状に堆積する。従って、排出微粒子量Mと酸
化除去可能微粒子量Gとの関係を領域Iにすれば、パテ
ィキュレートフィルタ上へのパティキュレートの堆積を
防止することができる。その結果、パティキュレートフ
ィルタ70における排気ガス流の圧損は全くと言ってい
いほど変化することなくほぼ一定の最小圧損値に維持さ
れる。斯くして機関の出力低下を最小限に維持すること
ができる。しかしながら、これが常に実現されるとは限
らず、何もしなければパティキュレートフィルタにはパ
ティキュレートが堆積することがある。
毎に切換部71の弁体71aを現在の遮断位置から他方
の遮断位置へ回動させ、パティキュレートフィルタ70
の排気上流側と排気下流側とを逆転させるようになって
いる。
壁54の拡大断面図である。前述したように、排気ガス
が主に衝突する隔壁54の排気上流側表面及び細孔内の
排気ガス流対向面は、一方の捕集面としてパティキュレ
ートを衝突捕集し、活性酸素放出剤により放出された活
性酸素によって捕集パティキュレートを酸化除去する
が、設定時間又は設定走行距離を走行する間には、図2
3の領域IIでの運転が実施されることもあり、図25
(A)は格子で示すように、酸化除去が不十分となって
パティキュレートが残留することがある。この程度のパ
ティキュレートの堆積に伴うパティキュレートフィルタ
の排気抵抗は車両走行に悪影響を与えるほどではない
が、さらにパティキュレートが堆積すれば、機関出力の
大幅な低下等の問題を発生する。しかしながら、この時
点でパティキュレートフィルタの排気上流側と排気下流
側とが逆転されれば、隔壁54の一方の捕集面に残留す
るパティキュレート上には、さらにパティキュレートが
堆積することはなく、一方の捕集面から放出される活性
酸素によって残留パティキュレートは徐々に酸化除去さ
れる。また、隔壁の細孔内に残留するパティキュレート
は、逆方向の排気ガス流によって、図25(B)に示す
ように、容易に破壊されて細分化され、下流側へ移動す
る。
ュレートは、隔壁の細孔内に分散し、すなわち、パティ
キュレートは流動することにより、隔壁の細孔内表面に
担持させた活性酸素放出剤と直接的に接触して酸化除去
される機会が多くなる。こうして、隔壁の細孔内にも活
性酸素放出剤を担持させることで、残留パティキュレー
トを格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除
去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔
壁54の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガ
スが主に衝突する隔壁54の排気上流側表面及び細孔内
の排気ガス流対向面(一方の捕集面とは反対側の関係と
なる)では、排気ガス中の新たなパティキュレートが付
着して活性酸素放出剤から放出された活性酸素によって
酸化除去される。これらの酸化除去の際に活性酸素放出
剤から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下
流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残
留するパティキュレートを酸化除去する。
留パティキュレートには、この捕集面から放出される活
性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁の他方
の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された
残りの活性酸素が排気ガスによって到来する。それによ
り、弁体の切り換え時点において、隔壁の一方の捕集面
にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたと
しても、排気ガスを逆流させれば、残留パティキュレー
ト上に堆積するパティキュレートへも活性酸素が到来す
ることに加えて、さらにパティキュレートが堆積するこ
とはないために、堆積パティキュレートは徐々に酸化除
去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、
この間で十分に酸化除去可能である。
気上流側と排気下流側とを逆転させることにより、パテ
ィキュレートフィルタ捕集壁の第一捕集面と第二捕集面
とが交互に使用され、常に単一の捕集面でパティキュレ
ートを捕集する場合に比較して各捕集面でのパティキュ
レート捕集量を低減することができ、パティキュレート
の酸化除去に有利となり、パティキュレートをパティキ
ュレートフィルタに堆積し難くさせることができる。パ
ティキュレートフィルタへ比較的多量のパティキュレー
トが堆積すると、何らかの要因によって堆積パティキュ
レートの温度が約600℃に昇温された時に、堆積パテ
ィキュレートが一度に燃焼して多量の燃焼熱を発生さ
せ、パティキュレートフィルタが溶損することがあるた
めに、本実施例のように、パティキュレートをパティキ
ュレートフィルタへ堆積させ難くすることは重要であ
る。
距離毎のように定期的に実施しなくても不定期に実施す
るようにしても良い。また、機関減速時毎に弁体を切り
換えるようにしても良い。機関減速時の判断には、運転
者が車両の減速を意図する動作、例えば、アクセルペダ
ルの開放、ブレーキペダルの踏み込み、及びフューエル
カット等のいずれかを検出することが利用可能である。
ィキュレート堆積量が設定量となった時に弁体を切り換
えるようにしても良い。パティキュレート堆積量の推定
には、例えば、パティキュレート堆積量の増加に伴って
増大するパティキュレートフィルタ70の直上流側と直
下流側との間の差圧を利用することができ、また、パテ
ィキュレート堆積量の増加に伴って低下するパティキュ
レートフィルタ所定隔壁上の電気抵抗値を利用しても良
く、また、パティキュレート堆積量の増加に伴って低下
するパティキュレートフィルタ所定隔壁上の光の透過率
又は反射率を利用しても良い。また、図23のグラフに
基づき、現在の機関運転状態から推定される排出微粒子
量Mが現在の機関運転状態から推定されるパティキュレ
ートフィルタの温度を考慮した酸化除去可能微粒子量G
を上回る時の差(M−G)をパティキュレート堆積量と
して積算するようにしても良い。
と、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させると、
活性酸素放出剤61から外部に活性酸素Oが一気に放出
される。この一気に放出された活性酸素Oによって、堆
積パティキュレートは酸化され易いものとなって容易に
酸化除去される。一方、空燃比がリーンに維持されてい
ると白金Ptの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Pt
の酸素被毒が生じる。このような酸素被毒が生じるとN
OXに対する酸化作用が低下するためにNOXの吸収効率
が低下し、斯くして活性酸素放出剤61からの活性酸素
放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされ
ると白金Pt表面上の酸素が消費されるために酸素被毒
が解消され、従って空燃比が再びリッチからリーンに切
り換えられるとNOXに対する酸化作用が強まるために
NOXの吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出剤
61からの活性酸素放出量が増大する。従って、空燃比
がリーンに維持されている時に空燃比を時折リーンから
リッチに一時的に切り換えるとその都度白金Ptの酸素
被毒が解消されるために空燃比がリーンである時の活性
酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィル
タ70上におけるパティキュレートの酸化作用を促進す
ることができる。さらに、この酸素被毒の解消は、言わ
ば、還元物質の燃焼であるために、発熱を伴ってパティ
キュレートフィルタを昇温させる。それにより、パティ
キュレートフィルタにおける酸化除去可能微粒子量が向
上し、さらに、残留及び堆積パティキュレートの酸化除
去が容易となる。弁体71aによってパティキュレート
フィルタの排気上流側と排気下流側とを切り換えた直後
に排気ガスの空燃比をリッチにすれば、パティキュレー
トが残留していないパティキュレートフィルタ隔壁にお
ける他方の捕集面では、一方の捕集面に比較して活性酸
素を放出し易いために、さらに多量に放出される活性酸
素によって、一方の捕集面の残留パティキュレートをさ
らに確実に酸化除去することができる。もちろん、弁体
71aの切り換えとは無関係に時折排気ガスの空燃比を
リッチにしても良く、それにより、パティキュレートフ
ィルタへパティキュレートが残留及び堆積し難くなる。
ては、例えば、前述の低温燃焼を実施すれば良い。ま
た、単に燃焼空燃比をリッチにしても良い。また、圧縮
行程での通常の主燃料噴射に加えて、機関燃料噴射弁に
よって排気行程又は膨張行程において気筒内に燃料を噴
射(ポスト噴射)しても良く、又は、吸気行程において
気筒内に燃料を噴射(ビゴム噴射)しても良い。もちろ
ん、ポスト噴射又はビゴム噴射は、主燃料噴射との間に
必ずしもインターバルを設ける必要はない。また、機関
排気系に燃料を供給することも可能である。
ィルタでは、前述したように排気ガス中のNOXを良好
に吸収するが、パティキュレートフィルタの構造は、前
述したように、捕集壁の細孔を排気ガスが通過するウォ
ールフロー型であり、触媒を担持する隔壁に沿って排気
ガスが流れる一般的な触媒装置との比較において、同じ
大きさで同量の排気ガスを通過させるためには、捕集壁
間の寸法を隔壁間の寸法に比較して大きくしなければな
らない。それにより、パティキュレートフィルタにおい
て排気ガスが捕集壁表面に担持された活性酸素放出剤と
接触する機会は、モノリス型の触媒装置において触媒と
接触する機会より少ない。また、排気ガスは、捕集壁の
細孔を通過する際には、この細孔内に担持された活性酸
素放出剤に接触するが、主には、捕集壁の表面に担持さ
れた活性酸素放出剤にしか接触しない。しかしながら、
多数の細孔によって捕集壁表面の触媒担持面積はそれほ
ど大きくない。こうして、NOXを吸収する活性酸素放
出剤をパティキュレートフィルタに担持させても、排気
ガス中のNOXを十分に浄化することはできない。
1内に配置されたパティキュレートフィルタの排気上流
側と排気下流側との逆転に係わらずに常にパティキュレ
ートフィルタの下流側となる位置、すなわち、マフラ1
00の第二室102内に触媒装置75を配置している。
この触媒装置75は、パティキュレートフィルタ70と
共にマフラ100内に配置されているために、パティキ
ュレートフィルタ70での活性酸素によるパティキュレ
ートの酸化除去及び貴金属触媒での還元物質の燃焼によ
ってパティキュレートフィルタが昇温する際にマフラ1
00全体が昇温される。それにより、触媒装置をマフラ
の下流側に配置する場合に比較して、本触媒装置75は
マフラ100からの受熱によって高温度に維持される機
会が増大する。こうして、触媒装置75に担持させた触
媒は活性化している機会が多い。
貴金属触媒及び活性酸素放出剤として使用可能な物質を
NOX吸蔵還元触媒として担持することにより、パティ
キュレートフィルタにおいて吸収されなかったNOXを
良好に吸収して大気中への放出量を十分に低減すること
が可能となる。もちろん、触媒装置73に担持するNO
X触媒は、NOX吸蔵還元触媒に限定されることなく、例
えば、NOX選択還元触媒のような他の種類のNOXを浄
化する触媒としても良い。
フィルタへ還元物質を含むリッチ排気ガスを流入させる
際に、又は、低温燃焼を実施してHC及びCOを比較的
多く含む排気ガスがパティキュレートフィルタへ流入す
る際に、還元物質の全てがパティキュレートフィルタの
貴金属触媒で酸化されるか又は活性酸素放出剤から放出
されたNOXを還元するのに使用されるとは限らず、パ
ティキュレートフィルタを通過する還元物質を浄化する
必要がある。触媒装置75にNOX吸蔵還元触媒が担持
されていれば、その貴金属触媒及び放出されるNOXの
還元浄化によってパティキュレートフィルタを通過する
還元物質の浄化が可能となるが、触媒装置75として、
少なくとも貴金属触媒のような酸化触媒を担持していれ
ば、パティキュレートフィルタを通過する還元物質の浄
化が可能である。
際には、弁体71aは図20に示すような中間位置とな
り、排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスす
ることとなる。この時においても、排気ガスは触媒装置
75を通過するために、排気ガス中の有害物質を触媒装
置75によって良好に浄化することができる。しかしな
がら、排気ガス中のパティキュレートは触媒装置75に
よっては浄化することができないために、弁体71aの
切り換えは、フューエルカットにより排気ガス中にパテ
ィキュレートが含まれない機関減速時に実施することが
好ましい。
が低く、パティキュレートフィルタを温度低下させるこ
とがあるために、パティキュレートフィルタの酸化除去
可能微粒子量を高く維持するためには、機関減速時には
弁体71aを積極的に中間位置として排気ガスがパティ
キュレートフィルタをバイパスするようにすることが好
ましい。
を示す断面平面図である。本排気浄化装置と前述した排
気浄化装置とにおいて、同一要素は同じ参照番号によっ
て示されている。二つの排気浄化装置の違いを以下に説
明する。本排気浄化装置では、マフラ100の第一室1
01における他方の空間と切換部71の第二開口71e
とを接続する第二接続管73’が、第一室101におけ
る一方の空間とパティキュレートフィルタ70とを貫通
している。それにより、第二接続管がマフラ100の横
側に出っ張ることがなく、本排気浄化装置としてのマフ
ラの車両搭載性を改善することができる。
トフィルタ70及び触媒装置75を拡張型マフラに配置
するようにした。しかしながら、これは本発明を限定す
るものではなく、他の方式、例えば、干渉型、共鳴型、
又は吸音型等のマフラにおける上流側にパティキュレー
トフィルタを、下流側に触媒装置を配置すれば、触媒装
置を良好に昇温させて触媒が活性化している機会を増大
させることができ、マフラを通過して大気中へ放出され
る有害物質を良好に低減することができる。
一つの隔室(第一室)内に配置することにより、前述し
たように、切換部71との組み合わせによってパティキ
ュレートフィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転が
容易となるが、もちろん、この逆転機構が設けられてい
ない場合には、パティキュレートフィルタと触媒装置と
を別の隔室へ配置する必要はなく、同じ隔室内に隣接配
置することも可能である。この場合には、マフラ内が複
数の隔室に区画されている必要もない。
SO3が存在すると、硫酸カルシウムCaSO4を生成す
る。この硫酸カルシウムCaSO4は、酸化除去され難
く、パティキュレートフィルタ上にアッシュとして残留
することとなる。従って、硫酸カルシウムの残留による
パティキュレートフィルタの目詰まりを防止するために
は、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を用いることが好ましく、それによ
り、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を形成し、カルシウ
ムCaはSO3と結合することなくパティキュレートフ
ィルタの隔壁を通過する。従ってパティキュレートフィ
ルタがアッシュによって目詰まりすることがなくなる。
こうして、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L
i、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ことになる。
ートフィルタに白金Ptのような貴金属のみを担持させ
ても、白金Ptの表面上に保持されるNO2又はSO3か
ら活性酸素を放出させることができる。ただし、この場
合には酸化除去可能微粒子量Gを示す実線は図23に示
す実線に比べて若干右側に移動する。また、活性酸素放
出剤としてセリアを用いることも可能である。セリア
は、排気ガス中の酸素濃度が高いと酸素を吸収し(Ce
2O3→2CeO2)、排気ガス中の酸素濃度が低下する
と活性酸素を放出する(2CeO2→Ce2O3)もので
あるために、パティキュレートの酸化除去のために、排
気ガス中の空燃比を定期的又は不定期にリッチにする必
要がある。セリアに代えて、鉄又は錫を使用しても良
い。
NOx浄化に使用されるNOx吸蔵還元触媒を用いること
も可能である。この場合においては、NOx又はSOxを
放出させるために排気ガスの空燃比を少なくとも一時的
にリッチにする必要がある。
ルタ自身が活性酸素放出剤を担持して、この活性酸素放
出剤が放出する活性酸素によりパティキュレートが酸化
除去されるものとしたが、これは、本発明を限定するも
のではない。例えば、活性酸素及び活性酸素と同等に機
能する二酸化窒素等のパティキュレート酸化成分は、パ
ティキュレートフィルタ又はそれに担持させた物質から
放出されても、外部からパティキュレートフィルタへ流
入するようにしても良い。パティキュレート酸化成分が
外部から流入する場合においても、パティキュレートを
捕集するために、捕集壁の第一捕集面と第二捕集面とを
交互に使用することはパティキュレートの堆積防止に有
効である。すなわち、排気下流側となった一方の捕集面
では、新たにパティキュレートが堆積することはなく、
この堆積パティキュレートを、他方の捕集面から流入す
るパティキュレート酸化成分によって徐々にでも酸化除
去して、堆積パティキュレートをある程度の時間で十分
に酸化除去することが可能である。この間において、他
方の捕集面では、パティキュレートの捕集と共にパティ
キュレート酸化成分による酸化が行われるために、前述
同様な効果がもたらされる。
焼と通常燃焼とを切り換えて実施するものとしたが、こ
れは本発明を限定するものではなく、もちろん、通常燃
焼のみを実施するディーゼルエンジン、又はパティキュ
レートを排出するガソリンエンジンにも本発明は適用可
能である。
気浄化装置によれば、機関排気系に位置するマフラと、
マフラ内に配置されて、排気ガス中のパティキュレート
を捕集し、捕集したパティキュレートが酸化させられる
パティキュレートフィルタと、マフラ内に配置されて、
パティキュレートフィルタの下流側に位置する触媒装
置、とを具備している。それにより、比較的大きな断面
積が必要なパティキュレートフィルタは、機関排気系に
おいて比較的大きな断面積を有するマフラ内に配置さ
れ、車両搭載性の問題が発生することはない。また、マ
フラ内においてパティキュレートフィルタの下流側には
触媒装置が配置されており、この触媒装置では、比較的
高温度に維持されるマフラからの受熱によって担持され
た触媒の活性化の機会が多く、パティキュレートフィル
タが配置されたマフラからパティキュレート以外の有害
物質が排出される以前に、この有害物質を良好に浄化
し、大気中への放出を防止することができる。
ラ内は少なくとも第一室と第二室とに区画され、第二室
より上流側に位置する第一室内にはパティキュレートフ
ィルタが配置され、第二室には触媒装置が配置され、第
一室におけるパティキュレートフィルタの排気上流側と
排気下流側とを逆転するための逆転手段を具備し、パテ
ィキュレートフィルタはパティキュレートを捕集するた
めの捕集壁を有し、捕集壁は第一捕集面と第二捕集面と
を有し、逆転手段によってパティキュレートフィルタの
排気下流側と排気上流側とが逆転されることによりパテ
ィキュレートを捕集するために捕集壁の第一捕集面と第
二捕集面とが交互に使用されるようにすれば、パティキ
ュレートフィルタへパティキュレートが堆積し難くする
ことができる。すなわち、運転状態によっては、パティ
キュレートの酸化が不十分となってパティキュレートフ
ィルタ捕集壁の第一捕集面にはある程度のパティキュレ
ートが残留することがあるが、逆転手段によるパティキ
ュレートフィルタの排気上流側と排気下流側との逆転に
よって、捕集壁の第一捕集面には新たにパティキュレー
トが堆積することはなく、堆積パティキュレートを徐々
に酸化除去可能である。同時に、捕集壁の第二捕集面に
よってパティキュレートの捕集及び酸化が開始される。
こうして、パティキュレートの捕集に第一捕集面と第二
捕集面とが交互に使用されると、常に単一の捕集面でパ
ティキュレートを捕集する場合に比較して、各捕集面で
のパティキュレート捕集量を低減することができ、パテ
ィキュレートの酸化除去に有利となる。
エンジンの概略縦断面図である。
る。
である。
ある。
示す図である。
ある。
である。
浄化装置の平面図である。
である。
ある。
の図である。
ィルタの温度との関係を示す図である。
の図である。
図である。
面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 機関排気系に位置するマフラと、前記マ
フラ内に配置されて、排気ガス中のパティキュレートを
捕集し、捕集した前記パティキュレートが酸化させられ
るパティキュレートフィルタと、前記マフラ内に配置さ
れて、前記パティキュレートフィルタの下流側に位置す
る触媒装置、とを具備することを特徴とする内燃機関の
排気浄化装置。 - 【請求項2】 前記マフラ内は少なくとも第一室と第二
室とに区画され、前記第二室より上流側に位置する前記
第一室内には前記パティキュレートフィルタが配置さ
れ、前記第二室には前記触媒装置が配置され、前記第一
室における前記パティキュレートフィルタの排気上流側
と排気下流側とを逆転するための逆転手段を具備し、前
記パティキュレートフィルタはパティキュレートを捕集
するための捕集壁を有し、前記捕集壁は第一捕集面と第
二捕集面とを有し、前記逆転手段によって前記パティキ
ュレートフィルタの排気下流側と排気上流側とが逆転さ
れることによりパティキュレートを捕集するために前記
捕集壁の前記第一捕集面と前記第二捕集面とが交互に使
用され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。 - 【請求項3】 前記パティキュレートフィルタには活性
酸素放出剤が担持され、前記活性酸素放出剤から放出さ
れる活性酸素がパティキュレートを酸化させることを特
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。 - 【請求項4】 前記活性酸素放出剤は、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
することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気
浄化装置。 - 【請求項5】 前記触媒装置は酸化触媒を担持している
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の内
燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項6】 前記触媒装置はNOX触媒を担持してい
ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の
内燃機関の排気浄化装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111263849A (zh) * | 2017-10-02 | 2020-06-09 | 五十铃自动车株式会社 | 内燃机的排气净化装置 |
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JPH07189655A (ja) * | 1993-12-27 | 1995-07-28 | Nippondenso Co Ltd | エンジンの排気浄化装置 |
JPH07106290B2 (ja) * | 1984-04-23 | 1995-11-15 | エンゲルハード・コーポレーシヨン | ジーゼル排気粒子用フイルター |
JPH09217618A (ja) * | 1996-02-09 | 1997-08-19 | Isuzu Ceramics Kenkyusho:Kk | 排気ガス浄化装置 |
-
2001
- 2001-03-29 JP JP2001096796A patent/JP3607987B2/ja not_active Expired - Fee Related
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