JP2002371824A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関から排出される排気に含まれる粒子状
物質を捕集する捕集材を備えた排気浄化装置において、
アッシュの生成を抑制して捕集材の目詰まりによる排気
の圧力損失を防止する。 【解決手段】内燃機関から排出される排気に含まれる粒
子状物質を捕集する捕集材を備えた内燃機関の排気浄化
装置において、パティキュレートフィルタ２２の上流
に、排ガス中の燐Ｐを吸着させるアッシュトラップ８
０，８１を設けた。アッシュトラップ８０，８１には塩
基性金属が担持される。燐ＰがカルシウムＣａと結合し
てパティキュレートフィルタ２２に凝集されアッシュを
形成すること抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関から排出
される排気中の粒子状物質を除去する排気浄化装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】自動車等に搭載される内燃機関では、排
気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯX）や炭化水素（Ｈ
Ｃ）等の有害ガス成分を浄化して排気エミッションの向
上を図ることが要求されている。特に、ディーゼルエン
ジンの場合は、窒素酸化物（ＮＯ X）や炭化水素（Ｈ
Ｃ）に加えて、煤やＳＯＦ（Soluble Organic Fractio
n）等の所謂粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）
を低減することも重要である。
【０００３】このような要求に対し、従来では、特許第
２７２２９８７号公報に記載されたような「内燃機関の
排気浄化装置」が提案されている。この公報に記載され
た内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に排
気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ
を設けるとともに、排気の空燃比がリーンのときは排気
中のＮＯXを吸収し、排気中の酸素濃度が低く且つ還元
剤が存在するときは吸着していたＮＯXを放出且つ還元
するＮＯX吸収剤を前記パティキュレートフィルタと熱
伝達可能な位置に配置して構成され、ＮＯX吸収剤上で
還元剤が燃焼する際に発生する熱を利用してパティキュ
レートフィルタを昇温させ、該パティキュレートフィル
タに捕集された粒子状物質を燃焼及び除去しようとする
ものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一方、パティキュレー
トフィルタでは、アッシュと呼ばれる化合物の凝集によ
りパティキュレートフィルタ内の排気流路が閉塞され、
排気の圧力損失が大きくなるという問題がある。
【０００５】アッシュの生成メカニズムについては明ら
かにされていないが、内燃機関の燃料や潤滑油には、種
々の添加剤や不純物が含まれており、これらの成分が内
燃機関の燃焼室あるいはパティキュレートフィルタ上で
結合し、種々の化合物を形成して、これらの化合物がパ
ティキュレートフィルタ上で凝集することで生成される
と考えられる。
【０００６】例えば、内燃機関の燃料や潤滑油には、硫
黄Ｓ成分、燐Ｐ成分、カルシウムＣａ、マグネシウムＭ
ｇ等の成分が含有されており、燃焼室内においてブロー
バイガス（潤滑油）中に含まれる成分と混合気（燃料）
中に含まれる成分とが結合し、硫酸カルシウムＣａＳＯ
4、燐酸カルシウムＣａ3（ＳＯ4）2、あるいは硫酸マグ
ネシウム（ＭｇＳＯ4）等の化合物が生成され、これら
の化合物がパティキュレートフィルタ上に粒子状物質
（ＰＭ）とともに捕集され、アッシュとして凝集され
る。
【０００７】また、硫黄Ｓは煤に吸収され易いという特
性を有することから、パティキュレートフィルタ上に煤
とともに吸収された硫黄Ｓが排気中のカルシウムＣａや
マグネシウムＭｇと結合して、硫酸カルシウムＣａＳＯ
4や硫酸マグネシウムＭｇＳＯ4等の化合物を生成し、こ
れらの化合物がアッシュとして凝集される。
【０００８】そこで粒状物質を捕集する捕集材を設け、
この捕集材には内燃機関の燃料およびまたは潤滑油に含
有される所定成分と同等以下の電気陰性度を有する金属
を担持したものが特開２００１−１２２２９号公報にお
いて開示されている。
【０００９】このように前記捕集材に担持した潤滑油に
含有される所定成分と同等以下の電気陰性度を有する金
属、好ましくは前記所定成分より電気陰性度が低く、か
つイオン化傾向が強い金属を担持することで、被結合成
分は前記所定成分ではなくて前記金属と結合するので、
前記アッシュの形成が抑制される。
【００１０】しかし上記の捕集材を用いても、アッシュ
成分としての燐酸カルシウムＣａ3（ＳＯ4）2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ことは困
難であることが判明した。
【００１１】その理由は、通常、燐Ｐと硫黄Ｓは互いに
結合しにくいが、ここでは上述のように燐Ｐと最も結合
しやすいカルシウムＣａが硫酸カルシウムＣａＳＯ4と
なっているため、燐Ｐと硫黄Ｓがパティキュレートフィ
ルタにおいて凝集して補足されることになる。するとパ
ティキュレートフィルタでは燐酸カルシウムＣａ3（Ｐ
Ｏ4）2による目詰まりが生じることになる。
【００１２】特に排ガスが高温になる領域で連続的に走
行した場合、白金Ｐｔ等の貴金属を担持した触媒機能を
もつパティキュレートフィルタの表面に、燐酸カルシウ
ムＣａ3（ＳＯ4）2の針状の結晶が形成され、被浄化物
と貴金属との間に距離が生じて触媒機能が半減したり、
また触媒の寿命が短くなる場合がある。
【００１３】本発明は、上記のような事情に鑑みてなさ
れたものであり、内燃機関から排出される排気に含まれ
る粒子状物質を捕集する捕集材を備えた排気浄化装置に
おいて、アッシュの生成、特に燐酸カルシウムＣａ
3（ＳＯ4）2によるものを抑制することができる技術を
提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題
を解決するために以下のような手段を採用した。
【００１５】すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄
化装置は、内燃機関から排出される排気に含まれる粒子
状物質を捕集する捕集材を備えた内燃機関の排気浄化装
置において、前記捕集材の上流に、排ガス中の燐Ｐを吸
着させるアッシュトラップを設けたことを特徴とする。
【００１６】このように構成された排気浄化装置では、
捕集材は、内燃機関から排出された排気に含まれる粒子
状物質を捕集する。ここで捕集材とは、例えば粒状物質
を捕集する通常のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレート
フィルタ）であっても、または、これにＮＯｘ吸収剤等
の触媒物質を担持したものであってもよい。
【００１７】そして排気中には、内燃機関の燃料および
または潤滑油に元々含まれていた成分が存在し、それら
の成分のうちの所定成分が捕集材上で他の成分（以下、
被結合成分と称する）と結合してアッシュを形成する可
能性がある。しかし前記アッシュトラップを捕集材の上
流に設けると、燐Ｐはこれに吸着されるので、その下流
の捕集材でアッシュを形成することを抑制できる。
【００１８】このアッシュトラップにはイオン化傾向の
強い塩基性金属を担持させることができる。このように
すれば燐Ｐを燐酸カルシウムＣａ3（ＳＯ4）2等の形で
安定して吸着することが可能となる。
【００１９】ここで塩基性金属とは、例えばリチウムＬ
ｉ、ナトリウムＮａ、カリウムK 、ルビジウムＲｂ、セ
シウムＣｓ、フランシウムＦｒ、ベリリウムＢｅ、マグ
ネシウムＭｇ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒ、
バリウムＢａ、ラジウムＲａ、ランタンＬａ等の電気陰
性度を有する金属、好ましくは前記所定成分より電気陰
性度が低く、かつイオン化傾向の強い金属である。燐Ｐ
はこれらの金属と安定して結合するので、下流の捕集材
での燐酸カルシウムＣａ3（ＳＯ4）2によるアッシュの
形成が抑制される。
【００２０】また前記捕集材では、内燃機関の燃料また
は潤滑油に含有される所定成分と同等以下の電気陰性度
を有する金属を担持させることが好ましい。このように
すれば、硫黄Ｓが排ガス中のカルシウムＣａやマグネシ
ウムＭｇと結合して、硫酸カルシウムＣａＳＯ4や硫酸
マグネシウムＭｇＳＯ4等の化合物からなるアッシュと
して捕集材にて凝集することを抑制できる。
【００２１】なお、捕集材に担持する前記金属と硫黄等
の所定成分との化合物は、前記アッシュと同様に捕集材
上で凝集するおそれがあるので、これらの化合物は粒子
状物質の浄化条件と同様の条件下で分解または除去され
るように、担持する前記金属を選択することが好まし
い。
【００２２】また前記アッシュトラップは、酸化性能が
付与されたものとすることができる。このように酸化性
能を付与すると燐とカルシウムが結合した燐酸カルシウ
ムＣａ3（ＳＯ4）2の凝集が促進されるので、ここで燐
をトラップしやすくなる。
【００２３】本発明によれば、排ガス中の燐がカルシウ
ムと結合してを捕集材に凝集されアッシュを形成するこ
とを回避するため、この捕集材よりも前段に、燐と結合
しやすい電気陰性度を有する塩基性金属を配したアッシ
ュトラップを設け、このアッシュトラップに燐が吸着さ
れるようにした。よって捕集材において燐酸カルシウム
Ｃａ3（ＳＯ4）2によるアッシュが形成されることを抑
制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置について図面に基づいて説明する。ここで
は、本発明に係る排気浄化装置を車両用ディーゼルエン
ジンに適用した態様について説明する。
【００２５】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に示される例では機関冷却水が冷却装置１８内
に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００２６】一方、排気ポート１０は排気マニホルド１
９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。
【００２７】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に示される例
では機関冷却水が冷却装置２６内に導かれ、機関冷却水
によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２８】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。
【００２９】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、このパティキュレ
ートフィルタ２２の床温を検出するための床温センサ３
９が取付けられ、この床温センサ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。
【００３０】またアクセスペダル４０には、この踏込み
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３
７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。 ＜排気浄化装置の構造＞排気浄化装置は、図１、図２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。
【００３１】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。
【００３２】また前記第１の排気通路７６と第２の排気
通路７７のそれぞれには、パティキュレートフィルタ２
２の前段にアッシュトラップ８０、８１が設けられてい
る。このアッシュトラップ８０、８１には、イオン化傾
向の強い塩基性金属が担持されており、排ガス中の燐Ｐ
がこれに吸着する。
【００３３】ここで塩基性金属とは、例えばリチウムＬ
ｉ、ナトリウムＮａ、カリウムK 、ルビジウムＲｂ、セ
シウムＣｓ、フランシウムＦｒ、ベリリウムＢｅ、マグ
ネシウムＭｇ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒ、
バリウムＢａ、ラジウムＲａ、ランタンＬａのうちの一
つ、または２以上を組み合わせを含む。
【００３４】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８３が設けられて
いる。この燃料添加ノズル８３は、電子制御ユニット３
０のＣＰＵ３４上に実現される制御手段により制御され
る。
【００３５】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。
【００３６】一方、前記アクチュエータ７２は、電子制
御ユニット３０のＣＰＵ３４上に実現される制御手段７
５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７
２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。
【００３７】前記弁体が図２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。
【００３８】弁体が、図２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７
６→バイパス通路７３の順に流れて、大気に放出され
る。
【００３９】弁体が、図２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２
２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。
【００４０】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。
【００４１】図３（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。
【００４２】図３（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。 ＜アッシュトラップの構造＞アッシュトラップ８０、８
１は、粒状物を捕集可能な構造であれば特に形状、構造
は限定されないが、なるべく表面積が広いものが好まし
い。
【００４３】例えばハニカム構造をなし、多孔質の物質
を基材とし、上流側の端部が開放し、かつ下流側の端部
が閉塞された第１流路と、上流側の端部が閉塞されかつ
下流側の端部が開放された第２流路とを交互にハニカム
状に配置して構成された、いわゆるウォールフロー型と
することができる。これら第１流路は下流端が栓により
閉塞された排気ガス流入通路となり、第２流路は上流端
が栓により閉塞された排気ガス流出通路となって、これ
らは薄肉の隔壁を介して交互に配置される。
【００４４】このアッシュトラップ８０、８１に排ガス
中の燐Ｐが吸着する。実際には燐ＰはカルシウムＣａと
結合して燐酸カルシウムＣａ3（ＳＯ4）2の形でアッシ
ュトラップ８０、８１に凝集する。したがって、その下
流のパティキュレートフィルタ２２において、燐Ｐがカ
ルシウムＣａと結合して燐酸カルシウムＣａ3（ＳＯ4）
2によるアッシュが形成されることを抑制できる。
【００４５】またアッシュトラップ８０、８１は、切り
替え流路の前段、すなわち排気切替弁７１の前段に設け
てもよい。またこのアッシュトラップをターボ装置１４
の前段にも設けることにより、排ガス中の燐Ｐを二重に
トラップできる。すなわち、アッシュトラップは温度の
高い排気マニホールドに近い位置と、第１の排気通路７
６または第２の排気通路７７中の位置の双方にあり、き
わめて温度差が大きな領域でそれぞれ排ガス中の燐Ｐの
吸着ができるために、トラップ効率が向上する。 ＜フィルタの構造＞図４にパティキュレートフィルタ２
２の構造を示す。なお、図４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４（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４（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。
【００４６】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
４（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。
【００４７】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。
【００４８】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、およびセリアＣｅなどの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。
【００４９】なお、セリアＣｅなどの遷移金属（酸素吸
蔵剤）は、酸素濃度によってその価数が変わる。よって
次のように酸素濃度変化を繰り返すことで活性酸素を多
く放出する。
【００５０】 ＣｅＯ2（リーン） ←→ ＣｅＯ3 （リッチ） また、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。
【００５１】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。
【００５２】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
ＳＯ2が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳ
Ｏ2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。
【００５３】図５（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５（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。
【００５４】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５
（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、ＮＯ
2 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５
（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、一部の硝酸イオンＮＯ3 -は硝
酸カリウムＫＮＯ3を生成する。
【００５５】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。
【００５６】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Ｋ2Ｓ
Ｏ4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ＫＮＯ3 および硫酸カリウムＫ2ＳＯ4
が生成される。
【００５７】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２
２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５（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。
【００５８】このように微粒子６２が活性酸素放出剤６
１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６
１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ＫＮＯ3 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６
１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。
【００５９】また酸素過剰状態において酸素と排ガス中
のＮＯｘを吸蔵するときにも、酸素との反応過程で活性
酸素が生じて微粒子６２を酸化させるものと考えられ
る。この詳細なメカニズムは不明だが、およそ次のよう
なものと推定される。
【００６０】前述のように排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔ
の表面上でＯ2 -又はＯ2-と反応し、ＮＯ2 となる（２Ｎ
Ｏ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。次いで生成されたＮＯ2 の一部
はＮＯ３となって白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放
出剤６１内に吸収される。
【００６１】前記ＮＯ2 の一部は触媒で分解され、活性
酸素を放出する。すなわち、 ２ＮＯ２→ＮＯ＋Ｏ*→ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ＋Ｏ*→ のように、酸化、分解を繰り返しながら、活性酸素を放
出する。
【００６２】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Ｋ2ＳＯ4もカリウムＫと酸素
ＯとＳＯ2 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、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
2ＳＯ4は安定しているため、硝酸カリウムＫＮＯ3 に比
べ、活性酸素は放出しづらい。
【００６３】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。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（数分から数十分程度）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。
【００６４】従来のようにパテイキュレートフイルタ２
２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。
【００６５】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６
２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。
【００６６】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。
【００６７】さらに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。
【００６８】ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウ
ムＣａＳＯ4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ＣａＳＯ4が
生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ4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。
【００６９】しかしながらこの場合、活性酸素放出剤６
１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２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５
１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。
【００７０】更に、パティキュレートフィルタ２２上で
アッシュの代わりに形成される硫酸カリウム（Ｋ2Ｓ
Ｏ4）は、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ4）に比して凝集度
合が低いため、パティキュレートフィルタ２２の雰囲気
温度を高温にするか、あるいはパティキュレートフィル
タ２２を還元雰囲気にすることにより容易に分解及び除
去することが可能である。
【００７１】ところで、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。
【００７２】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。
【００７３】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２
２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。
【００７４】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。
【００７５】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
く短時間（数分から数十分）で燃焼除去せしめられる。 （他の実施の形態）上記の実施の形態では、捕集材とし
てＮＯｘ浄化と微粒子の酸化が可能なものを示したが、
排気中の煤や未燃燃料成分などの粒子状物質を捕集する
フィルタであれば上記のものに限ることなく、どのよう
なものであってもよい。
【００７６】また排気系の上流に、さらにダミーコンバ
ータのようなものを設けることで、排ガスの流れが乱れ
る場所や最初の部材に燐が吸着しやすい性質を利用し
て、燐をトラップするようにしてもよい。
【００７７】また、本実施の形態では、本発明に係る排
気浄化装置を適用する内燃機関としてディーゼルエンジ
ンを例に挙げて説明したが、ガソリンエンジンでも構わ
ないことは勿論である。
【００７８】ガソリンエンジンの場合は、ディーゼルエ
ンジンに比べ、燃料中に含まれる硫黄Ｓ成分が少ない
が、逆に燐Ｐ成分が多いため、パティキュレートフィル
タ上では、カルシウムＣａと燐Ｐ成分とが結合して燐酸
カルシウムＣａ3（ＳＯ4）2が生成されやすい。
【００７９】本発明によれば上述したように、カルシウ
ムＣａと同等以下の電気陰性度を有し且つイオン化傾向
が強い金属（例えば、カリウムＫ）をパティキュレート
フィルタの上流に設けたアッシュトラップに担持させる
ことにより、カルシウムＣａと燐Ｐ成分との結合に比し
て、カリウムＫ等と燐Ｐ成分との結合が優先され、アッ
シュたるＣａ3（ＳＯ4）2の生成が抑制されるので、ガ
ソリンエンジンにおいてきわめて有効である。
【００８０】
【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置
は、捕集材の上流に、塩基性金属が担持されたアッシュ
トラップを設けたので、前記所定成分と結合した際にア
ッシュを形成する被結合成分は、前記所定成分に比して
前記金属と優先的に結合するため、アッシュの形成が抑
制されることになる。
【００８１】従って、本発明によれば、排気中の粒子状
物質を捕集する捕集材を備えた排気浄化装置において、
アッシュの形成を抑制することが可能となり、アッシュ
による捕集材の目詰まりが防止され、捕集材の機能が損
なわれることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機
関の概略構成を示す図
【図２】 パティキュレートフィルタを搭載した排気浄
化装置を示す図
【図３】（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４】パティキュレートフィルタを示す図
【図５】微粒子の酸化作用を示す概念図
【符号の説明】
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、８１…アッシュトラップ ８２…燃料添加ノズル（還元剤添加手段）
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 20/02 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０３Ｃ (72)発明者 中谷 好一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 見上 晃 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G090 AA02 AA03 AA04 CB22 CB24 EA04 4D002 AA27 AC10 BA03 BA14 CA07 DA01 DA04 EA02 HA06 4D048 AA14 AB01 BA02X BA14X BA15X BA18X BA19X BA30X BA41X BB02 BB14 BC01 BC02 BC03 BC04 CC25 CD01 EA04 4G066 AA02B AE20 BA07 CA41 DA02

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関から排出される排気に含まれる粒
    子状物質を捕集する捕集材を備えた内燃機関の排気浄化
    装置において、 前記捕集材の上流に、排ガス中の燐（Ｐ）を吸着させる
    アッシュトラップを設けたことを特徴とする内燃機関の
    排気浄化装置。
  2. 【請求項２】前記アッシュトラップには塩基性金属が担
    持され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。
  3. 【請求項３】前記アッシュトラップは、酸化性能を付与
    されたものである請求項１または２に記載の内燃機関の
    排気浄化装置。
  4. 【請求項４】前記捕集材は、内燃機関の燃料または潤滑
    油に含有される所定成分と同等以下の電気陰性度を有す
    る金属を担持してなることを特徴とする請求項１から３
    のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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