(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路に配置すると共に、該パティキュレートフィルタ上流側の機関排気通路にＮＯｘ浄化触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒として、該ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯｘを吸収し且つ該ＮＯｘ浄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と吸収しているＮＯｘを放出するタイプのＮＯｘ浄化触媒を採用し、さらに、上記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がリーンであるときに排気ガス中の酸素を吸収し且つ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が理論空燃比またはリッチとなると吸収している酸素を放出すると共に酸化触媒として働く酸素吸収剤を上記パティキュレートフィルタに担持し、上記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチとすることによってＮＯｘ浄化触媒からＮＯｘを放出させ、これら放出されたＮＯｘを還元浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に圧縮着火式内燃機関においては機関燃焼室から排出される排気ガス中の微粒子および窒素酸化物（ＮＯX）を浄化処理することが求められている。これら微粒子およびＮＯXを浄化処理するために微粒子を捕集するためのフィルタ（パティキュレートフィルタ）にＮＯXを浄化するためのＮＯX吸収剤を担持させた排気浄化装置が特開平９−１５９０３７号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示されているようにパティキュレートフィルタにＮＯX吸収剤を担持させた排気浄化装置により微粒子とＮＯXとを浄化処理するようにした場合、例えばパティキュレートフィルタに捕集された微粒子によりＮＯX吸収剤が覆われ、ＮＯXを浄化処理することができなくなってしまうことがある。
【０００４】
そこで本発明の目的は排気ガス中の微粒子とＮＯXとを共に高い浄化率で浄化処理することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明では排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路に配置すると共に、該パティキュレートフィルタ上流側の機関排気通路にＮＯｘ浄化触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒として、該ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯｘを吸収し且つ該ＮＯｘ浄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と吸収しているＮＯｘを放出するタイプのＮＯｘ浄化触媒を採用し、さらに、上記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がリーンであるときに排気ガス中の酸素を吸収し且つ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が理論空燃比またはリッチとなると吸収している酸素を放出すると共に酸化触媒として働く酸素吸収剤を上記パティキュレートフィルタに担持し、上記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチとすることによってＮＯｘ浄化触媒からＮＯｘを放出させ、これら放出されたＮＯｘを還元浄化する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例を参照して本発明を説明する。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適用することもできる。
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。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の出口は排気管２０ａを介してＮＯX吸収剤４３を内蔵したケーシング４４に連結され、このケーシング４４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。
【０００８】
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）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。
【０００９】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、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、ＥＧＲ制御弁２５、および燃料ポンプ２８に接続される。
【００１０】
図２にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。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。
【００１１】
なお図２（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。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。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。
【００１２】
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、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。
また本実施例のパティキュレートフィルタ２２にはセリウムＣｅ等の酸素吸収剤が担持されている。酸素吸収剤はパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中の酸素を吸収し、パティキュレートフィルタ２２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となると吸収している酸素を放出する。
【００１３】
一方、ＮＯX吸収剤４３は白金Ｐｔ等の貴金属を担持している。ＮＯX吸収剤４３はそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯXを吸収し、ＮＯX吸収剤４３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となると吸収しているＮＯXを放出する。
なお本明細書において排気ガスの空燃比とは燃焼室５内に導入された燃料（ＮＯX吸収剤４３の上流側の機関排気通路に燃料を噴射するようにしたシステムにおいては当該システムにより噴射された燃料を含む。）の量に対する燃焼室５内に導入された空気（ＮＯX吸収剤４３の上流側の機関排気通路に空気を噴射するようにしたシステムにおいては当該システムにより噴射された空気を含む。）の量の比を意味する。
【００１４】
次に本実施例における排気浄化処理について説明する。本実施例の内燃機関の大部分の機関運転領域において空燃比がリーンとされた状態で運転せしめられる。したがってＮＯX吸収剤４３およびパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスの空燃比もリーンである。このため内燃機関がその空燃比をリーンとした状態にて運転せしめられると排気ガス中のＮＯXがＮＯX吸収剤４３に吸収され、また排気ガス中の微粒子がパティキュレートフィルタ２２に捕集され、そして排気ガス中の酸素がパティキュレートフィルタ２２に担持されている酸素吸収剤に吸収される。
【００１５】
ところでＮＯX吸収剤４３が吸収することができるＮＯXの量には限界がある。したがってＮＯX吸収剤４３に吸収されているＮＯXの量（ＮＯX吸収量）がその限界値を越える前に吸収されているＮＯXを還元浄化しなければならない。さもなければ排気ガス中のＮＯXがＮＯX吸収剤４３に吸収されずにＮＯX吸収剤４３下流へと流出してしまう。そこで本実施例ではＮＯX吸収量がその限界値を越える前に燃焼室５内の空燃比をリッチとし、或いは機関膨張行程後半または機関排気行程中に燃料噴射弁６から燃料を噴射することにより空燃比がリッチの排気ガスをＮＯX吸収剤４３に流入させ、これによりＮＯX吸収剤４３からＮＯXを放出させ、これら放出されたＮＯXを排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）により還元浄化する。
【００１６】
一方、パティキュレートフィルタ２２が捕集することができる微粒子の量にも限界がある。ところが捕集されている微粒子はパティキュレートフィルタ２２内の温度が或る温度以上となれば燃焼し、これにより浄化処理される。したがってパティキュレートフィルタ２２内の温度を微粒子の着火温度以上に維持している限り、パティキュレートフィルタ２２に捕集されている微粒子の量がその限界値に達することはないが実際には捕集されている微粒子の量は徐々に増大してゆくので本実施例では捕集されている微粒子の量がその限界値に達する前、或いは達したときに排気ガスの温度を上昇させる等して微粒子を強制的に燃焼させるようにする。
【００１７】
斯くして本実施例によれば排気ガス中のＮＯXと微粒子とを高い浄化率にて浄化することができる。
さて本実施例のようにＮＯX浄化触媒としてＮＯX吸収剤４３をパティキュレートフィルタ２２の上流側の機関排気通路に配置して構成された排気浄化装置には以下に列挙する利点がある。
【００１８】
本実施例の排気浄化装置はパティキュレートフィルタ２２とは別個にＮＯX吸収剤を有するのでパティキュレートフィルタ２２内にＮＯX吸収剤を担持する場合に比べてより多くのＮＯX吸収剤を保有することができる。このため本実施例の排気浄化装置におけるＮＯX浄化率は高い。これが一つ目の利点である。
またパティキュレートフィルタ２２にＮＯX吸収剤を担持させた排気浄化装置においてはパティキュレートフィルタ２２内における微粒子の燃焼熱をＮＯX吸収剤が直接受け、ＮＯX吸収剤が熱劣化するが、本実施例の排気浄化装置ではパティキュレートフィルタ２２の上流にＮＯX吸収剤４３が配置されているため微粒子の燃焼熱をＮＯX吸収剤４３が受けることがなく、したがってＮＯX吸収剤４３が熱劣化することはない。これが二つ目の利点である。
【００１９】
また特に排気ガスの空燃比がリッチとなったときには排気ガス中には未燃ＨＣや可溶性有機物質が含まれており、これらがパティキュレートフィルタ２２に流入するとこれらが微粒子同志を結びつける結合剤として働き、したがって微粒子がパティキュレートフィルタ２２の細孔に詰まる可能性が高くなる。これに対し本実施例の排気浄化装置ではパティキュレートフィルタ２２の上流側のＮＯX吸収剤４３によりこれら未燃ＨＣや可燃性有機物質が酸化除去されるのでパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりを起こす可能性が非常に低い。このことが三つ目の利点である。
【００２０】
また排気ガスがＮＯX吸収剤４３を介さずにパティキュレートフィルタ２２に直接流入するような排気浄化装置の場合には排気ガスが流入する側におけるパティキュレートフィルタ２２の壁面の温度分布にばらつきが生じる。これは排気ガス内の温度分布にばらつきがあることに起因する。しかしながら本実施例の排気浄化装置によればＮＯX吸収剤４３を排気ガスが通過することにより排気ガス内の温度分布が一様となり、したがって排気ガスが流入する側におけるパティキュレートフィルタ２２の壁面の温度分布が一様となる。これによりパティキュレートフィルタ２２の壁面に相当に低温の領域が形成されることなく、したがって壁面全体において微粒子の燃焼が生じ、斯くして微粒子がパティキュレートフィルタ２２の細孔に詰まることが防止される。これが四つ目の利点である。
【００２１】
またＮＯX吸収剤４３からＮＯXを放出させるために排気ガスの空燃比をリッチとしたときに排気ガス中のＨＣ成分がＮＯX吸収剤４３により消費されずにＮＯX吸収剤４３から流出し、パティキュレートフィルタ２２内に流入することがある。このとき上述したようにＨＣ成分は微粒子同志を結合させ、パティキュレートフィルタ２２の細孔を目詰まりさせてしまう。しかしながら本実施例ではパティキュレートフィルタ２２に酸素吸収剤が担持され、この酸素吸収剤は周囲の雰囲気がリッチとなると酸素を放出する機能を有するのでパティキュレートフィルタ２２に流入したＨＣ成分はこの酸素吸収剤から放出される酸素により酸化除去される。したがってパティキュレートフィルタ２２の目詰まりが防止される。これが五つ目の利点である。なおこのことから分かるように酸化吸収剤は酸化触媒として働く。
【００２２】
また排気ガス中に硫黄成分が含まれているとパティキュレートフィルタ２２に担持されている酸素吸収剤に硫黄成分が付着し、その酸素吸収能力が低下してしまう。しかしながら本発明の排気浄化装置ではパティキュレートフィルタ２２の上流側にＮＯX吸収剤４３が配置され、このＮＯX吸収剤４３により排気ガス中の硫黄成分が処理されるのでパティキュレートフィルタ２２内の酸素吸収剤を硫黄成分により劣化させることがない。これが六つ目の利点である。
【００２３】
なおＮＯX浄化触媒としてＮＯX吸収剤の代わりに流入する排気ガスの空燃比がリーンであってもＮＯXを浄化することができる触媒を採用してもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によればパティキュレートフィルタの上流にＮＯX浄化触媒を配置し、ＮＯX浄化触媒にてＮＯXを浄化し、パティキュレートフィルタにて微粒子を捕集するようになっているのでＮＯX浄化触媒の触媒金属を微粒子が覆ってしまうことはない。したがってＮＯXと微粒子とを高い浄化率で浄化処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタを示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
２２…パティキュレートフィルタ
４３…ＮＯX吸収剤
【図１】
0003642017.tif 000002
【図２】
0003642017.tif 000003