JP3463652B2 - 排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置 - Google Patents
排気ガス浄化方法および排気ガス浄化装置Info
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Description
よび排気ガス浄化装置に関する。
気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通
路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティ
キュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕
集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子
を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィル
タを再生するようにしている。ところがパティキュレー
トフィルタ上に捕集された微粒子は600℃程度以上の
高温にならないと着火せず、これに対してディーゼル機
関の排気ガス温は通常、600℃よりもかなり低い。し
たがって排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ
上に捕集された微粒子を着火させるのは困難であり、排
気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集さ
れた微粒子を着火させるためには微粒子の着火温度を低
くしなければならない。
タ上に触媒を担持すれば微粒子の着火温度を低下できる
ことが知られており、したがって従来より微粒子の着火
温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキ
ュレートフィルタが公知である。例えば特公平7−10
6290号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金
族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持さ
せたパティキュレートフィルタが開示されている。この
パティキュレートフィルタではほぼ350℃から400
℃の比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続
的に燃焼せしめられる。
ガス温が350℃から400℃に達し、したがって上述
のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負
荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火
燃焼せしめることができるように見える。しかしながら
実際には排気ガス温が350℃から400℃に達しても
微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着
火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒
子が燃え残るという問題を生ずる。
少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する
微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が350℃
から400℃になるとパティキュレートフィルタ上の微
粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。しか
しながら排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパ
ティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃
焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その
結果、パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に
堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微
粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微
粒子は燃焼せしめられるが酸素と接触しづらい残りの微
粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ること
になる。したがって排気ガス中に含まれる微粒子量が多
くなるとパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が
堆積し続けることになる。
の微粒子が堆積するとこれら堆積した微粒子は次第に着
火燃焼しづらくなる。このように燃焼しづらくなるのは
恐らく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しづらい
グラフィイト等に変化するからであると考えられる。事
実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積
し続けると350℃から400℃の低温では堆積した微
粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるために
は600℃以上の高温が必要となる。しかしながらディ
ーゼル機関では通常、排気ガス温が600℃以上の高温
になることがなく、したがってパティキュレートフィル
タ上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によっ
て堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
の高温にすることができたとすると堆積した微粒子は着
火するがこの場合には別の問題を生ずる。すなわちこの
場合、堆積した微粒子は着火せしめられると輝炎を発し
て燃焼し、このときパティキュレートフィルタの温度は
堆積した微粒子の燃焼が完了するまで長時間に亘って8
00℃以上に維持される。しかしながらこのようにパテ
ィキュレートフィルタが長時間に亘って800℃以上の
高温にさらされるとパティキュレートフィルタが早期に
劣化し、斯くしてパティキュレートフィルタを新品と早
期に交換しなければならないという問題が生ずる。
アッシュが凝縮して大きな塊りとなり、これらアッシュ
の塊りによってパティキュレートフィルタの細孔が目詰
まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共
に次第に増加し、斯くしてパティキュレートフィルタに
おける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス
流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くして
この点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に
交換しなければならないという問題が生ずる。
積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、したがっ
て排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフ
ィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考
えて多量の微粒子が積層状に堆積しないようにする必要
がある。しかしながら上述の公報に記載されたパティキ
ュレートフィルタでは排気ガス中に含まれる微粒子量と
パティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子
量とのバランスについては何ら考えられておらず、斯く
して上述したように種々の問題を生じることになる。
ートフィルタでは排気ガス温が350℃以下になると微
粒子は着火されず、斯くしてパティキュレートフィルタ
上に微粒子が堆積する。この場合、堆積量が少なければ
排気ガス温が350℃から400℃になったときに堆積
した微粒子が燃焼せしめられるが多量の微粒子が積層状
に堆積すると排気ガス温が350℃から400℃になっ
たときに堆積した微粒子が着火せず、たとえ着火したと
しても一部の微粒子は燃焼しないために燃え残りが生じ
る。
る前に排気ガス温を上昇させれば堆積した微粒子を燃え
残ることなく燃焼せしめることができるが上述の公報に
記載されたパティキュレートフィルタではこのようなこ
とは何ら考えておらず、斯くして多量の微粒子が積層状
に堆積した場合には排気ガス温を600℃以上に上昇さ
せない限り、堆積した全微粒子を燃焼させることができ
ない。
に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上にお
いて燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて多量の微
粒子が積層状に堆積しないように制御した排気ガス浄化
方法および排気ガス浄化装置が本出願人により既に出願
されている(特願2000−43571号)。
或る目的で燃焼室から排出された排気ガスを再び燃焼室
内に循環するようにしている。ここで上記公報において
パティキュレートフィルタの温度を制御する方法として
は種々の方法が考えられるがこれら方法を用いてパティ
キュレートフィルタの温度を制御した際にこれに合わせ
て燃焼室内に再循環せしめられる排気ガスの量を変化さ
せなければ出力トルクが大きく変動することがある。
た排気ガスを再び燃焼室内に循環させるようにした内燃
機関において、新規の方法を採用し、パティキュレート
フィルタの温度を制御したときの出力トルク変動を小さ
くすることにある。
的を達成するために、要求負荷に応じて燃焼室に供給す
る燃料の量を制御し、燃焼室から排出された排気ガスを
再び燃焼室に循環させるようにした内燃機関において、
燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するた
めのパティキュレートフィルタとして、単位時間当りに
燃焼室から排出される排出微粒子量がパティキュレート
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
く酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないと
きには排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタ
に流入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめら
れ、かつ排出微粒子量が一時的に酸化除去可能微粒子量
より多くなったとしてもパティキュレートフィルタ上に
おいて微粒子が一定限度以下しか堆積しないときには排
出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも少なくなった
ときにパティキュレートフィルタ上の微粒子が輝炎を発
することなく酸化除去せしめられるパティキュレートフ
ィルタを用い、酸化除去可能微粒子量がパティキュレー
トフィルタの温度に依存しており、排出微粒子量が酸化
除去可能微粒子量よりも通常少なくなり、かつ排出微粒
子量が一時的に酸化除去可能微粒子量より多くなったと
してもその後、排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よ
り少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量
の微粒子しかパティキュレートフィルタ上に堆積しない
ように排出微粒子量およびパティキュレートフィルタの
温度を維持し、それによって排気ガス中の微粒子をパテ
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
酸化除去せしめ、パティキュレートフィルタの温度を上
昇させるべきであると判別されたときに排気ガス流を絞
り、それによってパティキュレートフィルタの温度を上
昇させ、パティキュレートフィルタの温度を上昇すべく
排気ガス流を絞ったときには燃焼室に循環せしめられる
排気ガスの量を少なくする。
排気ガス流を絞ることによってパティキュレートフィル
タを通過する排気ガスの流速が減速せしめられるように
する。3番目の発明では1番目の発明において、パティ
キュレートフィルタ上に堆積した微粒子量に基づいて定
まる時間だけ排気ガス流を絞る。
パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持してい
る。5番目の発明では4番目の発明において、周囲に過
剰酸素が存在すると酸素を取り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をパティキュレートフィル
タ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が
付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出さ
せ、放出された活性酸素によりパティキュレートフィル
タ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
活性酸素放出剤がアルカリ金属またはアルカリ土類金属
または希土類または遷移金属からなる。7番目の発明で
は6番目の発明において、アルカリ金属およびアルカリ
土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属か
らなる。8番目の発明では5番目の発明において、排気
ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにする
ことによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒
子を酸化させるようにしている。
に、要求負荷に応じて燃焼室に供給する燃料の量を制御
し、燃焼室から排出された排気ガスを再び燃焼室に循環
させるようにした内燃機関において、機関排気通路内に
燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を除去するた
めのパティキュレートフィルタを配置し、このパティキ
ュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室から排
出される排出微粒子量が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酸化除去可
能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには排気ガ
ス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入すると
輝炎を発することなく酸化除去せしめられ、かつ排出微
粒子量が一時的に酸化除去可能微粒子量より多くなった
としてもパティキュレートフィルタ上において微粒子が
一定限度以下しか堆積しないときには排出微粒子量が酸
化除去可能微粒子量よりも少なくなったときにパティキ
ュレートフィルタ上の微粒子が輝炎を発することなく酸
化除去せしめられるパティキュレートフィルタを用い、
酸化除去可能微粒子量がパティキュレートフィルタの温
度に依存しており、排出微粒子量が酸化除去可能微粒子
量よりも通常少なくなり、かつ排出微粒子量が一時的に
酸化除去可能微粒子量より多くなったとしてもその後、
排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量より少なくなった
ときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパ
ティキュレートフィルタ上に堆積しないように排出微粒
子量およびパティキュレートフィルタの温度を維持する
ための制御手段を具備し、それによって排気ガス中の微
粒子をパティキュレートフィルタ上において輝炎を発す
ることなく酸化除去せしめ、パティキュレートフィルタ
の温度を上昇させるべきであると判別されたときに上記
制御手段が排気ガス流を絞り、それによってパティキュ
レートフィルタの温度を上昇させ、パティキュレートフ
ィルタの温度を上昇すべく排気ガス流を絞ったときには
燃焼室に循環せしめられる排気ガスの量を少なくする手
段を具備する。
て、排気ガス流を絞ることによってパティキュレートフ
ィルタを通過する排気ガスの流速が減速せしめられるよ
うにする。11番目の発明では10番目の発明におい
て、パティキュレートフィルタ下流に排気絞り弁を配置
し、該排気絞り弁により排気ガス流を絞るようにする。
て、パティキュレートフィルタが互いに平行をなして延
びる複数個の排気流通路を具備し、隣接する排気流通路
の一方は上流端が栓により閉塞されると共に隣接する排
気流通路の他方は下流端が栓により閉塞され、排気流通
路の壁面および栓の壁面上に触媒を担持させている。
本発明を説明する。図1は本発明を圧縮着火式内燃機関
に適用した場合を示している。なお本発明は火花点火式
内燃機関にも適用可能である。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。コンプレッ
サ15の上流側の吸気管13bには吸入される空気の質
量流量を検出するための質量流量計13aが取り付けら
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、さらに吸気ダ
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に示し
た実施例では冷却装置18内に機関冷却水が導びかれ、
この機関冷却水により吸入空気が冷却される。一方、排
気ポート10は排気マニホルド19および排気管20を
介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に
連結され、排気タービン21の出口はパティキュレート
フィルタ22を内蔵したケーシング23に連結される。
は排気ガス再循環(以下、EGR)通路24を介して互
いに連結され、EGR通路24内には電気制御式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に示した実施例では冷
却装置26内に機関冷却水が導びかれ、この機関冷却水
によりEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁6
は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモ
ンレール27に連結される。このコモンレール27内へ
は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28から燃料が
供給され、コモンレール27内に供給された燃料は各燃
料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモ
ンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出す
るための燃料圧センサ29が取り付けられ、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。
ータからなり、双方向性バス31により互いに接続され
たROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダ
ムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッ
サ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備
する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するAD変換
器37を介して入力ポート35に入力される。またパテ
ィキュレートフィルタ22にはパティキュレートフィル
タ22の温度を検出するための温度センサ39が取り付
けられ、この温度センサ39の出力信号は対応するAD
変換器37を介して入力ポート35に入力される。また
質量流量計13aの出力信号は対応するAD変換器37
を介して入力ポート35に入力される。アクセルペダル
40にはアクセルペダル40の踏込量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AD変換器37を介して入力
ポート35に入力される。さらに入力ポート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、EG
R制御弁25、および燃料ポンプ28に接続される。
造を示す。なお図2において(A)はパティキュレート
フィルタ22の正面図であり、(B)はパティキュレー
トフィルタ22の側面断面図である。図2(A)および
(B)に示した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。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。
た部分は栓53を示している。したがって排気ガス流入
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。言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が四つの排気ガス流出通路51により包囲さ
れ、各排気ガス流出通路51が四つの排気ガス流入通路
50により包囲されるように配置される。
ージライトのような多孔質材料から形成されており、し
たがって排気ガス流入通路50内に流入した排気ガスは
図2(B)において矢印で示したように周囲の隔壁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。本発明の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、すなわち各隔壁54
の両側表面上、栓53の外端面および栓52,53の内
端面上には全面に亘って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り込んで酸素を保持し
且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とが担持されている。
Ptが用いられており、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。
aよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカ
リ土類金属、すなわちカリウム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。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が他の貴金属、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
微粒子除去作用が行われる。
は空気過剰のもとで燃焼が行われ、したがって排気ガス
は多量の過剰空気を含んでいる。すなわち吸気通路およ
び燃焼室5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図1に示した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。また燃料中には硫黄成分Sが含まれて
おり、この硫黄成分Sは燃焼室5内で酸素と反応してS
O2 となる。したがって排気ガス中にはSO2 が含まれ
ている。したがって過剰酸素、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22の排気ガス
流入通路50内に流入することになる。
路50の内周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3(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。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3(A)に示したよ
うにこれら酸素O2 がO2 - または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 - または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3(A)に
示したように硝酸イオン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。
2 も含まれており、このSO2 もNOと同様なメカニズ
ムにより活性酸素放出剤61内に吸収される。すなわち
上述したように酸素O2 がO2 - または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 - または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上でさら
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K2 SO4 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KNO3 および硫酸カリウムK 2 SO4 が生
成される。
Cからなる微粒子が生成され、したがって排気ガス中に
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ュレートフィル
タ22の排気ガス流入通路50内を流れているときに、
或いは排気ガス流入通路50から排気ガス流出通路51
に向かうときに図3(B)において62で示したように
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。
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、その一方で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。
されている硫酸カリウムK2 SO4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、その一方で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。ただし硫酸カ
リウムK2 SO4 は安定化しているので硝酸カリウムK
NO3 に比べて活性酸素を放出しづらい。
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K2 SO4 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。したがって微
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はただ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。
したがって微粒子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。
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、したがってこのような火炎を伴なう燃焼を
持続させるためにはパティキュレートフィルタ22の温
度を高温に維持しなければならない。
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。すなわち言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。したがって本発明による輝炎を発しない微
粒子62の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来
の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
1はパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほ
ど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤61が
放出しうる活性酸素Oの量はパティキュレートフィルタ
22の温度が高くなるほど増大する。したがってパティ
キュレートフィルタ22上において単位時間当りに輝炎
を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量
はパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほど
増大する。
ことなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gを示し
ている。なお図5において横軸はパティキュレートフィ
ルタ22の温度TFを示している。単位時間当りに燃焼
室5から排出される微粒子の量を排出微粒子量Mと称す
るとこの排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子Gよりも
少ないとき、すなわち図5の領域Iにあるときには燃焼
室5から排出された全ての微粒子がパティキュレートフ
ィルタ22に接触するや否や短時間のうちにパティキュ
レートフィルタ22上において輝炎を発することなく酸
化除去せしめられる。
能微粒子量Gよりも多いとき、すなわち図5の領域IIに
あるときには全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が
不足している。図4(A)〜(C)はこのような場合の
微粒子の酸化の様子を示している。すなわち全ての微粒
子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図
4(A)に示したように微粒子62が活性酸素放出剤6
1上に付着すると微粒子62の一部のみが酸化され、十
分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留す
る。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると
次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に
残留し、その結果、図4(B)に示したように担体層の
表面が残留微粒子部分63により覆われるようになる。
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分63は次第に酸
化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微
粒子部分63はそのまま残留しやすくなる。また担体層
の表面が残留微粒子部分63によって覆われると白金P
t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4(C)に示されるように残留微粒子部分63上
に別の微粒子64が次から次へと堆積する。すなわち微
粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子
が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ptや活性酸
素放出剤61から距離を隔てているためにたとえ酸化さ
れやすい微粒子であってももはや活性酸素Oによって酸
化されることがなく、したがってこの微粒子64上にさ
らに別の微粒子が次から次へと堆積する。すなわち排出
微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い状態が
継続するとパティキュレートフィルタ22上には微粒子
が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にする
か、或いはパティキュレートフィルタ22の温度を高温
にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることが
できなくなる。
ィキュレートフィルタ22上において輝炎を発すること
なく短時間のうちに酸化せしめられ、図5の領域IIでは
微粒子がパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆
積する。したがって微粒子がパティキュレートフィルタ
22上に積層状に堆積しないようにするためには排出微
粒子量Mを常時、酸化除去可能微粒子量Gよりも少なく
しておく必要がある。
られているパティキュレートフィルタ22ではパティキ
ュレートフィルタ22の温度TFがかなり低くても微粒
子を酸化させることが可能であり、したがって図1に示
した圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Mおよび
パティキュレートフィルタ22の温度TFを排出微粒子
量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも常時、少なくなる
ように維持することが可能である。
出微粒子量Mおよびパティキュレートフィルタ22の温
度TFを排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより
も常時、少なくなるように維持する。このように排出微
粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも常時、少なけ
ればパティキュレートフィルタ22上に微粒子がほとん
ど堆積せず、斯くして背圧がほとんど上昇しない。した
がって機関出力は低下しない。
ティキュレートフィルタ22上において積層状に堆積す
るとたとえ排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよ
りも少なくなったとしても活性酸素Oにより微粒子を酸
化させることは困難である。しかしながら酸化されなか
った微粒子部分が残留し始めているときに、すなわち微
粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排気微粒
子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなるとこ
の残留微粒子部分は活性酸素Oにより輝炎を発すること
なく酸化除去される。
出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも通常少な
くなり、かつ排出微粒子量Mが一時的に酸化除去可能微
粒子量Gより多くなったとしても図4(B)に示したよ
うに担体層の表面が残留微粒子部分63により覆われな
いように、すなわち排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒
子量Gより少なくなったときに酸化除去しうる一定限度
以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ22上
に積層しないように排出微粒子量Mおよびパティキュレ
ートフィルタ22の温度TFを維持する。
ルタ22の温度TFは低く、したがってこのときには排
出微粒子量Mのほうが酸化除去可能微粒子量Gよりも多
くなる。したがって実際の運転を考えると第2の実施例
のほうが現実に合っていると考えられる。次に上記実施
例における排出微粒子量Mとパティキュレートフィルタ
22の温度TFとの制御について説明する。排出微粒子
量Mは燃焼室5内に吸入せしめられる空気の量(以下、
吸気量)とEGRガス量とに応じて異なる。そこで上記
実施例においては排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子
量Gより小さくなるようにスロットル弁17の開度およ
びEGR制御弁25の開度を制御するようにする。
荷が大きくなるほど燃料噴射弁から噴射される燃料の量
(以下、噴射燃料量)が多くなるように制御せしめられ
る。言い換えれば要求負荷を積極的に大きくすれば噴射
燃料量が多くなり、したがって燃焼室内での燃焼温度が
上昇し、排気ガスの温度も上昇する。このためパティキ
ュレートフィルタ22の温度も上昇することになる。そ
こで本実施例では図1に示したようにパティキュレート
フィルタ22の下流側に排気絞り弁39aを配置し、パ
ティキュレートフィルタ22の温度を上昇させるべきで
あると判別されたときにはこの排気絞り弁39aの開度
を小さくして排気ガス流を絞り、それによってパティキ
ュレートフィルタ22の温度を上昇させる。すなわち排
気絞り弁39aの開度を小さくすれば要求負荷が大きく
なり、したがって噴射燃料量も多くなり、斯くして排気
ガスの温度が上昇せしめられる。このため排気絞り弁3
9aの開度を小さくすればパティキュレートフィルタ2
2の温度を上昇させることができるのである。
を上昇させるべきときに排気絞り弁39aの開度を小さ
くすることには別の利点もある。すなわちパティキュレ
ートフィルタ22の温度を上昇させるべきであるとは排
出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより大きい状態
であることを意味する。ここで排気絞り弁39aの開度
を小さくすればパティキュレートフィルタ22を通過す
る排気ガスの流速が減速せしめられる。これによれば排
気ガスはパティキュレートフィルタ22を比較的ゆっく
りと通過するので微粒子を酸化させるための時間を十分
に確保することができる。またパティキュレートフィル
タ22に流入する微粒子の量自体も少なくなるので排出
微粒子量Mは酸化除去可能微粒子量Gより小さくなる。
これらの理由からパティキュレートフィルタ22の温度
を上昇させるべきとき、すなわち排出微粒子量Mが酸化
除去可能微粒子量Gより大きいときに排気絞り弁39a
の開度を小さくすることには上述した理由からも微粒子
をパティキュレートフィルタ22において確実に酸化除
去することができるという利点がある。
料量が零にせしめられるタイプの内燃機関にとっては特
に利点がある。すなわちこのような内燃機関では機関減
速時に噴射燃料量が零にせしめられるている状態でパテ
ィキュレートフィルタ22の温度を上昇すべく排気絞り
弁39aの開度を小さくしても噴射燃料量は増大せしめ
られないが上述したようにパティキュレートフィルタ2
2を通過する排気ガスの流速が減速せしめられるので排
出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより小さくな
り、斯くしてパティキュレートフィルタ22において微
粒子を確実に酸化除去することができる。
aをパティキュレートフィルタ22の下流に配置したが
燃焼室5から排出される排気ガス流を絞ることができれ
ばパティキュレートフィルタ22の上流側に配置されて
もよい。ところで上述したようにパティキュレートフィ
ルタ22の温度を上昇すべきときに排気絞り弁39aの
開度を小さくすると排気タービン21を通過する排気ガ
スの流量が少なくなる。このため過給圧が低下する。こ
こで上記実施例の通りに制御が行われるとすれば排出微
粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより小さくなるよう
にスロットル弁17の開度およびEGR制御弁25の開
度が制御される。すなわち吸気量ではなく、排出微粒子
量Mに基づいてスロットル弁17とEGR制御弁25と
が制御される。このため過給圧の低下に伴って吸気量が
少なくなり、結果として吸気量に対してEGRガス量が
相対的に多くなる。このため燃焼室5内における燃料の
燃焼が悪化し、機関出力トルクが急激に低下してしま
う。
フィルタ22の温度を上昇させるべく排気絞り弁39a
の開度を小さくするときには燃焼室5内に噴射される燃
料を燃焼させるのに十分な量の空気が燃焼室5内に流入
するようにEGR制御弁25の開度を小さくする。別の
言い方をすれば本発明においてはパティキュレートフィ
ルタ22の温度を上昇させるべく排気絞り弁39aの開
度を小さくするときには機関出力トルクの変動が許容範
囲内に納まるようにEGR制御弁25の開度を小さくす
る。なおEGR制御弁25の開度を小さくすると同時に
スロットル弁17の開度を大きくしてもよい。斯くして
本発明によればパティキュレートフィルタの温度を上昇
させた際に機関出力トルクが大きく変動することが防止
される。なお排気絞り弁39aはステップモータ39b
により駆動せしめられる。ステップモータ39bは対応
する駆動回路38を介して出力ポート36に接続され
る。
を実行しうるように排出微粒子量Mおよびパティキュレ
ートフィルタ22の温度TFを制御していたとしてもパ
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。このような場合には排気ガスの一部ま
たは全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパ
ティキュレートフィルタ22上に堆積した微粒子を輝炎
を発することなく酸化させることができる。
排気ガス中の酸素濃度を低下させると活性酸素放出剤6
1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により堆積している微粒子が輝
炎を発することなく酸化除去される。またリッチ化した
ことにより金属表面の被毒が回復するのでその後の酸化
活性が向上し、微粒子の酸化を促進することになる。こ
の場合、パティキュレートフィルタ22上において微粒
子が積層状に堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチ
にしてもよいし、微粒子が積層状に堆積しているか否か
に係わらず周期的に排気ガスの空燃比をリッチにしても
よい。
ては例えば機関負荷が比較的低いときにEGR率(EG
Rガス量/(吸入空気量+EGRガス量))が65パー
セント以上となるようにスロットル弁17の開度および
EGR制御弁25の開度を制御し、このとき燃焼室5内
における平均空燃比がリッチになるように噴射量を制御
する方法を用いることができる。
の一例を図6に示した。図6を参照するとまず初めにス
テップ100において昇温処理を実行すべきか否かが判
別される。昇温処理を実行する必要があるときにはステ
ップ101において排気絞り弁を閉弁し、ステップ10
2においてEGR制御弁25の開度が制御され、ステッ
プ103において燃料噴射量が制御される。一方、ステ
ップ100において昇温処理を実行する必要がないと判
別されたときにはステップ104において燃焼室5内の
平均空燃比をリッチにすべきか否かが判別される。
要がないときには排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子
量Gよりも少なくなるようにステップ105においてス
ロットル弁17の開度が制御され、ステップ106にお
いてEGR制御弁25の開度が制御され、ステップ10
7において燃料噴射量が制御される。一方、ステップ1
04において燃焼室5内の平均空燃比をリッチにすべき
であると判別されたときにはEGR率が65パーセント
以上になるようにステップ108においてスロットル弁
17の開度が制御され、ステップ109においてEGR
制御弁25の開度が制御され、燃焼室5内の平均空燃比
がリッチとなるようにステップ110において燃料噴射
量が制御される。
含んでおり、したが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。したがって硫酸カルシウムCaSO4 が生成さ
れると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の細孔が閉塞されてしまい、その
結果、排気ガスがパティキュレートフィルタ22内を流
れづらくなる。
シウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属また
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K2 SO4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51内に流
出する。したが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。したがって前述した
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またはアルカリ土類
金属、すなわちカリウムK、リチウムLi、セシウムC
s、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムS
rを用いることが好ましいことになる。
2の両側面上に形成された担体の層上に白金Ptのよう
な貴金属のみを担持した場合にも適用することができ
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5に示す実線に比べて若干、右側に移動する。
この場合には白金Ptの表面上に保持されるNO2 また
はSO3 から活性酸素が放出される。
22上流の排気通路内に酸化触媒を配置してこの酸化触
媒により排気ガス中のNOをNO2 に変換し、このNO
2 とパティキュレートフィルタ22上に堆積した微粒子
とを反応させてこのNO2 により微粒子を酸化するよう
にした排気ガス浄化装置にも適用可能である。
気ガスを再び燃焼室内に循環させるようにした内燃機関
において、新規の方法を採用し、パティキュレートフィ
ルタの温度を制御したときにおいても出力トルク変動が
小さく維持される。
ルタの温度との関係を示す図である。
トである。
Claims (12)
- 【請求項1】 要求負荷に応じて燃焼室に供給する燃料
の量を制御し、燃焼室から排出された排気ガスを再び燃
焼室に循環させるようにした内燃機関において、燃焼室
から排出された排気ガス中の微粒子を除去するためのパ
ティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼室
から排出される排出微粒子量が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酸化
除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときには
排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流入
すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられ、かつ
上記排出微粒子量が一時的に上記酸化除去可能微粒子量
より多くなったとしてもパティキュレートフィルタ上に
おいて微粒子が一定限度以下しか堆積しないときには上
記排出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量よりも少な
くなったときにパティキュレートフィルタ上の微粒子が
輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキュ
レートフィルタを用い、上記酸化除去可能微粒子量がパ
ティキュレートフィルタの温度に依存しており、上記排
出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量よりも通常少な
くなり、かつ上記排出微粒子量が一時的に上記酸化除去
可能微粒子量より多くなったとしてもその後、上記排出
微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量より少なくなった
ときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパ
ティキュレートフィルタ上に堆積しないように上記排出
微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を維持
し、それによって排気ガス中の微粒子をパティキュレー
トフィルタ上において輝炎を発することなく酸化除去せ
しめ、パティキュレートフィルタの温度を上昇させるべ
きであると判別されたときに排気ガス流を絞り、それに
よってパティキュレートフィルタの温度を上昇させ、パ
ティキュレートフィルタの温度を上昇すべく排気ガス流
を絞ったときには燃焼室に循環せしめられる排気ガスの
量を少なくする排気ガス浄化方法。 - 【請求項2】 排気ガス流を絞ることによってパティキ
ュレートフィルタを通過する排気ガスの流速が減速せし
められるようにした請求項1に記載の排気ガス浄化方
法。 - 【請求項3】 パティキュレートフィルタ上に堆積した
微粒子量に基づいて定まる時間だけ排気ガス流を絞るよ
うにした請求項1に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項4】 パティキュレートフィルタ上に貴金属触
媒を担持した請求項1に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項5】 周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り
込んで酸素を保持し且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を
パティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレー
トフィルタ上に微粒子が付着したときに上記活性酸素放
出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によ
りパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化
させるようにした請求項4に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項6】 上記活性酸素放出剤がアルカリ金属また
はアルカリ土類金属または希土類または遷移金属からな
る請求項5に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項7】 上記アルカリ金属およびアルカリ土類金
属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる
請求項6に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項8】 排気ガスの一部または全体の空燃比を一
時的にリッチにすることによりパティキュレートフィル
タ上に付着した微粒子を酸化させるようにした請求項5
に記載の排気ガス浄化方法。 - 【請求項9】 要求負荷に応じて燃焼室に供給する燃料
の量を制御し、燃焼室から排出された排気ガスを再び燃
焼室に循環させるようにした内燃機関において、機関排
気通路内に燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を
除去するためのパティキュレートフィルタを配置し、該
パティキュレートフィルタとして、単位時間当りに燃焼
室から排出される排出微粒子量が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酸
化除去可能な酸化除去可能微粒子量よりも少ないときに
は排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタに流
入すると輝炎を発することなく酸化除去せしめられ、か
つ上記排出微粒子量が一時的に上記酸化除去可能微粒子
量より多くなったとしてもパティキュレートフィルタ上
において微粒子が一定限度以下しか堆積しないときには
上記排出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量よりも少
なくなったときにパティキュレートフィルタ上の微粒子
が輝炎を発することなく酸化除去せしめられるパティキ
ュレートフィルタを用い、上記酸化除去可能微粒子量が
パティキュレートフィルタの温度に依存しており、上記
排出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量よりも通常少
なくなり、かつ上記排出微粒子量が一時的に上記酸化除
去可能微粒子量より多くなったとしてもその後、上記排
出微粒子量が上記酸化除去可能微粒子量より少なくなっ
たときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しか
パティキュレートフィルタ上に堆積しないように上記排
出微粒子量およびパティキュレートフィルタの温度を維
持するための制御手段を具備し、それによって排気ガス
中の微粒子をパティキュレートフィルタ上において輝炎
を発することなく酸化除去せしめ、パティキュレートフ
ィルタの温度を上昇させるべきであると判別されたとき
に上記制御手段が排気ガス流を絞り、パティキュレート
フィルタを通過する排気ガスの流速を減速させ、それに
よってパティキュレートフィルタの温度を上昇させ、パ
ティキュレートフィルタの温度を上昇すべく排気ガス流
を絞ったときには燃焼室に循環せしめられる排気ガスの
量を少なくする手段を具備する排気ガス浄化装置。 - 【請求項10】 排気ガス流を絞ることによってパティ
キュレートフィルタを通過する排気ガスの流速が減速せ
しめられるようにした請求項9に記載の排気ガス浄化装
置。 - 【請求項11】 パティキュレートフィルタ下流に排気
絞り弁を配置し、該排気絞り弁により排気ガス流を絞る
ようにした請求項10に記載の排気ガス浄化装置。 - 【請求項12】 上記パティキュレートフィルタが互い
に平行をなして延びる複数個の排気流通路を具備し、隣
接する排気流通路の一方は上流端が栓により閉塞される
と共に隣接する排気流通路の他方は下流端が栓により閉
塞され、該排気流通路の壁面および栓の壁面上に触媒を
担持させた請求項9に記載の排気ガス浄化装置。
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