(57)【要約】  酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ（２４ｕ）及び下流側パティキュレートフィルタ（２４ｄ）を直列に配置する。上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する上流側触媒及び下流側触媒をそれぞれ担持する。下流側触媒の粒子状物質酸化能力を上流側触媒の粒子状物質酸化能力よりも高く設定する。
2014016890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを直列に配置し、
これら上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する上流側触媒及び下流側触媒をそれぞれ担持し、
下流側触媒の粒子状物質酸化能力を上流側触媒の粒子状物質酸化能力よりも高く設定した、
内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
下流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが下流側パティキュレートフィルタを通過できるように下流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが上流側パティキュレートフィルタを通過できるように上流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている、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】
上流側触媒が卑金属酸化物を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
下流側触媒が貴金属を含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを直列に配置し、これら上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する触媒をそれぞれ担持した内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。この排気浄化装置では、排気ガスが上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを順次通過する。粒子状物質が上流側パティキュレートフィルタに捕集される。粒子状物質が上流側パティキュレートフィルタを通過したとしても、下流側パティキュレートフィルタに捕集される。その結果、粒子状物質が大気中に排出されるのが抑制される。【０００３】
一方、内燃機関では酸素過剰のもとで燃焼が行われており、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタは酸化雰囲気にある。したがって、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの温度が比較的高くなると上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質が触媒によってそれぞれ酸化され、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタからそれぞれ除去される。その結果、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの圧力損失が粒子状物質によって増大するのが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０１３０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、排気ガス中にはアッシュと称される不燃性成分も含まれており、このアッシュは粒子状物質と共に上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに捕集される。ところが、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの温度が粒子状物質を酸化しうる温度になってもアッシュは燃焼せず又は気化しない。【０００６】
一方、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタから粒子状物質が除去されると、すなわち上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの隔壁の表面を覆う粒子状物質の量が少なくなると、アッシュの一部が隔壁を通過し、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタから除去される。その結果、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの圧力損失がアッシュによって増大するのが抑制される。【０００７】
しかしながら、下流側パティキュレートフィルタの温度は上流側パティキュレートフィルタの温度よりも低い場合が多い。このため、下流側パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を低減できないおそれがある。その結果、アッシュが下流側パティキュレートフィルタの隔壁を通過できずに下流側パティキュレートフィルタに堆積し、それにより下流側パティキュレートフィルタの圧力損失が増大するおそれがある。また、アッシュが長時間にわたり下流側パティキュレートフィルタ上に残留すると、アッシュ同士が互いに凝集し、アッシュの粒径が大きくなるおそれがある。このようにアッシュの粒径が大きくなると、アッシュが隔壁を通過するのが更に困難になる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを直列に配置し、これら上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する上流側触媒及び下流側触媒をそれぞれ担持し、下流側触媒の粒子状物質酸化能力を上流側触媒の粒子状物質酸化能力よりも高く設定した、内燃機関の排気浄化装置が提供される。【０００９】
好ましくは、下流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが下流側パティキュレートフィルタを通過できるように下流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている。【００１０】
好ましくは、上流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが上流側パティキュレートフィルタを通過できるように上流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている。【００１１】
好ましくは、上流側触媒が卑金属酸化物を含む。【００１２】
好ましくは、下流側触媒が貴金属を含む。
【発明の効果】
【００１３】
下流側パティキュレートフィルタから粒子状物質が確実に除去されるので、下流側パティキュレートフィルタの圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２Ａ】パティキュレートフィルタの正面図である。
【図２Ｂ】パティキュレートフィルタの側面断面図である。
【図３】上流側触媒及び下流側触媒の概略拡大図である。
【図４】上流側触媒及び下流側触媒の粒子状物質の酸化速度を示す線図である。
【図５】上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの別の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を参照すると、１は圧縮着火式内燃機関の本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。
【００１６】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。図１に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。別の実施例では、内燃機関は火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。
【００１７】
排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内にはパティキュレートフィルタ２４が配置される。パティキュレートフィルタ２４は排気流れ方向に直列に配置された上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄから構成される。図１に示される実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄはウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成される。また、図１に示される実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄはほぼ同一の形状をなしており、したがってほぼ同一の容量を有している。
【００１８】
触媒コンバータ２２には、パティキュレートフィルタ２４の温度を検出するための温度センサ２５が設けられる。別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管２１に配置される。更に別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４から流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管２３に配置される。これら排気ガスの温度はパティキュレートフィルタ２４の温度を表している。
【００１９】
一方、排気マニホルド５には燃料添加弁２７が取り付けられる。この燃料添加弁２７にはコモンレール１６から燃料が添加され、燃料添加弁２７から排気マニホルド５内に燃料が添加される。別の実施例では、燃料添加弁２７が排気管２１に配置される。
【００２０】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータから構成され、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及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８、温度センサ２５、及び圧力差センサ２６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。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０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４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。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３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、及び燃料添加弁２７に接続される。
【００２１】
図２Ａ及び図２Ｂはウォールフロー型の上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの構造を示している。なお、図２Ａは上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの正面図を示しており、図２Ｂは上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄ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７１ｉ，７１ｏと、これら排気流通路７１ｉ，７１ｏを互いに隔てる隔壁７２とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路７１ｉ，７１ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７３ｄにより閉塞された排気ガス流入通路７１ｉと、上流端が栓７３ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路７１ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは薄肉の隔壁７２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７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは各排気ガス流入通路７１ｉが４つの排気ガス流出通路７１ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路７１ｏが４つの排気ガス流入通路７１ｉによって包囲されるように配置される。
【００２２】
別の実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの一方又は両方の排気流通路が、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。更に別の実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの一方又は両方の排気流通路が上流端及び下流端が開放された排気ガス通路により構成される。この場合の上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタはストレート型パティキュレートフィルタとも称される。
【００２３】
隔壁７２は多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路７１ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁７２内を通って隣接する排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。
【００２４】
図２Ｂに示される実施例では、隔壁７２の平均細孔径は２５μｍ以上かつ５０μｍ以下に設定される。隔壁７２の平均細孔径が２５μｍ以上であると、排気ガス中に含まれるアッシュの大部分が隔壁７２を通過できる。一方、隔壁７２の平均細孔径が５０μｍ以下であると、隔壁７２の機械的強度を確保することができる。別の実施例では、隔壁７２の平均細孔径は１０μｍ以上かつ２５μｍに設定される。
【００２５】
上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの隔壁７２上、すなわち隔壁７２の両側表面及び細孔内壁面には図３に示されるように、酸化機能を有する上流側触媒８０ｕ及び下流側触媒８０ｄがそれぞれ担持される。上流側触媒８０ｕ及び下流側触媒８０ｄは例えばアルミナから形成される担体８１と、この担体８１上に担持された触媒粒子８２とを備える。上流側触媒８０ｕの触媒粒子８２はＣｅ−Ａｇ−Ｏ、Ｃｅ−Ｐｒ−Ｚｒ−Ｏ、Ｃｕ−Ｖ−Ｏのような卑金属酸化物から構成される。これに対し、下流側触媒８０ｄの触媒粒子８２は白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄのような貴金属から構成される。
【００２６】
図４は、上流側触媒８０ｕの温度ＴＣＵに対する上流側触媒８０ｕの粒子状物質の酸化速度ＶＯＸＵ及び下流側触媒８０ｄの温度ＴＣＤに対する下流側触媒８０ｄの粒子状物質の酸化速度ＶＯＸＤを示している。図４からわかるように、下流側触媒８０ｄが粒子状物質を酸化し始める温度ＴＣＤＳは上流側触媒８０ｕが粒子状物質を酸化し始める温度ＴＣＵＳよりも低い。また、下流側触媒８０ｄの粒子状物質酸化速度ＶＯＸＤを許容下限ＬＯＸ以上にするのに必要な下流側触媒温度ＴＣＤＴは上流側触媒８０ｕの粒子状物質酸化速度ＶＯＸＵを許容下限ＬＯＸ以上にするのに必要な上流側触媒温度ＴＣＵＴよりも低い。このように、下流側触媒８０ｄの粒子状物質酸化能力は上流側触媒８０ｕの粒子状物質酸化能力よりも高く設定されている。
【００２７】
さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれている。この粒子状物質は上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄ上に捕集される。一方、燃焼室２では酸素過剰のもとで燃焼が行われている。したがって、燃料噴射弁３及び燃料添加弁２７から燃料が２次的に供給されない限り、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄは酸化雰囲気にある。その結果、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集された粒子状物質は上流側触媒８０ｕ及び下流側触媒８０ｄによって順次酸化される。
【００２８】
この点、下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの温度は上流側パティキュレートフィルタ２４ｕに比べて低い場合がある。しかしながら、本発明による実施例では、下流側触媒８０ｕは比較的低い温度でも粒子状物質を酸化できる。したがって、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集されている粒子状物質の量を少なく維持することができる。
【００２９】
排気ガス中にはアッシュも含まれている。このアッシュは主として硫酸カルシウムＣａＳＯ４、リン酸亜鉛カルシウムＣａ１９Ｚｎ２（ＰＯ４）１４のようなカルシウム塩から形成されることが本願発明者らにより確認されている。カルシウムＣａ，亜鉛Ｚｎ，リンＰ等は機関潤滑油に由来し、イオウＳは燃料に由来する。すなわち、硫酸カルシウムＣａＳＯ４を例にとって説明すると、機関潤滑油が燃焼室２内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムＣａが燃料中のイオウＳと結合することにより硫酸カルシウムＣａＳＯ４が生成される。
【００３０】
上述したように、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの隔壁７２の細孔径はアッシュが通過できるように設定されている。したがって、アッシュは上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄを順次通過する。したがって、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの圧力損失がアッシュにより増大するのが抑制される。
【００３１】
上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集されている粒子状物質の量、すなわち隔壁７２に堆積している粒子状物質の量が比較的多いときには、この多量の粒子状物質によってアッシュが隔壁７２を通過するのが困難になるおそれがある。しかしながら、本発明による実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集されている粒子状物質の量が少なく維持される。したがって、アッシュが隔壁７２を容易に通過することができる。
【００３２】
また、本発明による実施例では、アッシュが上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄ上に長時間にわたり残留するのが抑制される。したがって、アッシュが上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄ上で凝集するのが抑制され、したがって隔壁７２を容易に通過できる。
【００３３】
なお、本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質を除去するＰＭ除去処理は行われない。ＰＭ除去処理は例えば、粒子状物質を酸化除去するためにパティキュレートフィルタ２４の温度をＰＭ除去温度（例えば６００℃）まで上昇させる昇温処理、粒子状物質をＮＯｘにより酸化除去するために、ＥＧＲガス量を減少させることによりパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ量を増大させるＮＯｘ増大処理、粒子状物質をオゾンにより酸化除去するために、パティキュレートフィルタ２４上流の排気通路に連結されたオゾン供給器からオゾンをパティキュレートフィルタ２４に供給するオゾン供給処理から構成される。
【００３４】
これまで述べてきた本発明による実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの容量及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの容量は互いにほぼ等しい。別の実施例では、図５に示されるように、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの容量が下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの容量よりも大きくされる。このようにすると、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕに捕集されている粒子状物質の量が大幅に増大した場合であっても、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの圧力損失の増大が抑制される。
【００３５】
また、これまで述べてきた本発明による実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの平均細孔径及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの平均細孔径は互いにほぼ等しい。別の実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの平均細孔径が下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの平均細孔径よりも大きくされる。このようにすると、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕに捕集される粒子状物質の量が低減され、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの圧力損失の増大が抑制される。
【符号の説明】
【００３６】
１    機関本体
２１    排気管
２４ｕ    上流側パティキュレートフィルタ
２４ｄ    下流側パティキュレートフィルタ
８０ｕ    上流側触媒
８０ｄ    下流側触媒
【図１】
2014016890.tif 000003
【図２Ａ】
2014016890.tif 000004
【図２Ｂ】
2014016890.tif 000005
【図３】
2014016890.tif 000006
【図４】
2014016890.tif 000007
【図５】
2014016890.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月30日(2015.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを直列に配置し、
これら上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する上流側触媒及び下流側触媒をそれぞれ担持し、
下流側触媒の粒子状物質酸化能力を上流側触媒の粒子状物質酸化能力よりも高く設定した、
内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
下流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、下流側パティキュレートフィルタの細孔径が２５μｍ以上かつ５０μｍ以下に設定されている、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、上流側パティキュレートフィルタの細孔径が２５μｍ以上かつ５０μｍ以下に設定されている、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】
上流側触媒が卑金属酸化物を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
下流側触媒が貴金属を含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【国際調査報告】
2014016890.tif 000009
2014016890.tif 000010
2014016890.tif 000011
2014016890.tif 000012