JP2002221021A

JP2002221021A - 排気ガス浄化装置、および排気ガスの浄化方法

Info

Publication number: JP2002221021A
Application number: JP2001012686A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Yanagihara; 弘道柳原; Rentaro Kuroki; 錬太郎黒木; Zenichiro Kato; 善一郎加藤; Toshihisa Sugiyama; 敏久杉山; Yoshimitsu Henda; 良光辺田; Kazuhiko Shiratani; 和彦白谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの排気ガス中の有害物質
を確実に浄化する。【解決手段】低負荷時には大量にＥＧＲする第１の運
転条件でディーゼルエンジンを運転し、中負荷以上では
通常のＥＧＲ量である第２の運転条件で運転する。ま
た、排気通路内にはＮＯｘ触媒を設け、該ＮＯｘ触媒の
上流側には自然再生機能を有する捕集フィルタを設け
る。こうすれば、低負荷時は大量にＥＧＲしながら運転
することで、排気ガス中の有害物質を大幅に低減するこ
とができ、中負荷以上では、ＮＯｘ触媒によって排気ガ
ス中の有害物質を浄化することができる。かかるディー
ゼルエンジンに捕集フィルタを設けることで、ＮＯｘ触
媒と、捕集フィルタと、第１の運転条件で運転すること
による低減効果とで、互いの相乗効果により排気ガス中
の有害物質を効率よく確実に浄化することが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関の排気
ガス中に含まれる有害物質を浄化する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関、特にディーゼル機関の排気ガ
ス中には、黒煙（スス）などの含炭素浮遊微粒子や、一
酸化窒素などの燃焼によって生じる窒素酸化物（以下で
は、ＮＯｘという）などが含まれており、大気の汚染を
防ぐために、こられ有害物質の排出量を低減させること
が強く要請されている。また、燃焼室内に直接ガソリン
を噴射する方式の、いわゆる筒内噴射ガソリン機関から
も、運転条件によっては排気ガスとともにＮＯｘや含炭
素浮遊微粒子などが排出される場合があり、同様の要請
が存在する。

【０００３】これら内燃機関から排出される有害物質を
大幅に低減可能性な技術として、本願の出願人は、次の
ような技術を開発して既に出願済みである（特開２００
０−４５８２６号）。すなわち、内燃機関の低負荷時に
は、排気ガスを吸気側に大量に還流させて特殊な燃焼形
態とすることで、含炭素浮遊微粒子の排出量とＮＯｘの
排出量とを同時に低減する。また、機関の運転条件が中
負荷以上の場合には、排気ガスの空燃比を変動させ、触
媒上でＮＯｘおよび含炭素浮遊微粒子の蓄積と放出とを
繰り返しながら、これらを有害物質を同時に浄化する。
かかる技術を用いれば、触媒を追加するだけの簡素なシ
ステムによって、内燃機関の全ての運転条件で有害物質
の排出量を大幅に低減することが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特に含炭素浮
遊微粒子の排出量が多い運転条件で、あるいは内燃機関
を整備不良のまま、長期に亘って運転し続けた場合など
には、多量の微粒子によって触媒の機能が徐々に阻害さ
れていき、含炭素浮遊微粒子やＮＯｘなどを浄化するこ
とができなくなって、これら有害物質の排出量が増加し
てしまうおそれがあった。

【０００５】もちろん、触媒の上流に、含炭素浮遊微粒
子を捕集するフィルタを設けておけば、多量の微粒子に
よって触媒の機能が阻害されることは回避できるが、フ
ィルタで捕集した微粒子を何らかの方法で処理しなけれ
ばならなくなる。捕集した微粒子でフィルタが目詰まり
し始めると、下流の触媒に流入する排気ガスの空燃比を
速やかに切り換えることが困難になってＮＯｘを充分に
浄化できなくなり、ＮＯｘの排出量が増加するという新
たな問題を引き起こす。

【０００６】本発明は、従来技術における上述の課題を
解決するためになされたものであり、内燃機関の排気ガ
ス中に含まれる有害物質を、確実に低減可能な技術を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の排
気ガス浄化装置は次の構成を採用した。すなわち、内燃
機関の排気通路から吸気通路に還流させる排気ガス量を
増加させたときに、該内燃機関での燃焼による含炭素浮
遊微粒子の発生量が最大となる境界排気ガス量よりも多
量の排気ガスを還流させる第１の運転条件と、前記排気
ガスの還流量が前記境界排気ガス量よりも少ない第２の
運転条件とに切り換えて運転可能な内燃機関に適用され
て、該内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質を浄化す
る排気ガス浄化装置であって、前記排気通路に設けられ
て、前記排気ガスの空燃比がリーンの場合には該排気ガ
ス中の窒素酸化物を蓄積するとともに、該排気ガスの空
燃比がリッチあるいはストイキオの場合には該蓄積した
窒素酸化物を窒素に分解して放出するＮＯｘ蓄積手段
と、前記内燃機関が吸入する空気量あるいは該内燃機関
に供給する燃料量の少なくとも一方を制御することによ
って、前記排気ガスの空燃比を所定期間だけリッチある
いはストイキオに制御する空燃比制御手段と、前記ＮＯ
ｘ蓄積手段より上流側の排気通路に設けられて、前記排
気ガス中の含炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物
を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集する
ことにより、流入時の温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃
温度よりも低温である排気ガスを用いて、該捕集した炭
化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼させる捕集
フィルタとを備えることを要旨とする。

【０００８】また、上記の排気ガス浄化装置に対応する
本発明の排気ガスの浄化方法は、内燃機関の排気通路か
ら吸気通路に還流させる排気ガス量を増加させたとき
に、該内燃機関での燃焼による含炭素浮遊微粒子の発生
量が最大となる境界排気ガス量よりも多量の排気ガスを
還流させる第１の運転条件と、前記排気ガスの還流量が
前記境界排気ガス量よりも少ない第２の運転条件とに切
り換えて運転可能な内燃機関に適用し、該内燃機関の排
気ガスに含まれる有害物質を浄化する排気ガス浄化方法
であって、前記内燃機関が吸入する空気量あるいは該内
燃機関に供給する燃料量の少なくとも一方を制御するこ
とによって、前記排気ガスの空燃比を所定期間だけリッ
チあるいはストイキオに制御し、前記排気通路に設けた
ＮＯｘ蓄積部材によって、前記排気ガスの空燃比がリー
ンの条件では該排気ガス中の窒素酸化物を蓄積するとと
もに、該排気ガスの空燃比がリッチあるいはストイキオ
の条件では該蓄積した窒素酸化物を窒素に分解して放出
し、前記ＮＯｘ蓄積部材より上流側の排気通路に設けた
捕集フィルタで、前記排気ガス中の含炭素浮遊微粒子お
よび炭化水素系化合物を、該排気ガス中の酸素と接触可
能に分散して捕集することにより、流入時の温度が該含
炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを
用いて、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒
子とを燃焼させることを要旨とする。

【０００９】かかる排気ガス浄化装置、および排気ガス
の浄化方法においては、排気ガスの空燃比を変動させ、
排気ガス中の窒素酸化物の蓄積と放出とを繰り返しなが
ら前記排気ガス中の窒素酸化物を浄化するとともに、よ
り上流側では捕集フィルタを用いて、排気ガス中の含炭
素浮遊微粒子を浄化する。このため、何らかの理由で、
排気ガス中に多量の含炭素浮遊微粒子が含まれていて
も、該含炭素浮遊微粒子によって、窒素酸化物の浄化が
妨げられることがない。また、該捕集フィルタは、排気
ガス中の含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを分散
して捕集することによって、捕集した微粒子を低温の排
気ガス中で燃焼させることが可能である。このため、内
燃機関が、排気ガス中に多量の含炭素浮遊微粒子が含ま
れる条件で長期にわたって運転された場合でも、排気ガ
ス中の有害物質を確実に低減することが可能となる。

【００１０】かかる排気ガス浄化装置においては、前記
排気ガスの還流量を制御することによって、前記内燃機
関が吸入する空気量を制御することとしてもよい。

【００１１】内燃機関が吸い込む吸気量は一定なので、
排気ガスの還流量を増加させれば、その分だけ空気量が
減少する。従って、こうすれば排気ガスの空燃比を簡便
に制御することが可能となる。

【００１２】同様に、排気ガス浄化装置においては、前
記内燃機関の膨張行程あるいは排気行程中に燃料を供給
することとしても良い。

【００１３】内燃機関の膨張行程中あるいは排気行程中
は、燃焼室内の温度が低下しているので、燃料を供給し
ても激しく燃焼することはない。このため、ススなどの
含炭素浮遊微粒子や窒素酸化物などの有害物質を発生さ
せることなく、排気ガスの空燃比をリッチあるいはスト
イキオとすることが可能となるので好ましい。

【００１４】かかる排気ガス浄化装置においては、前記
排気ガスの空燃比がリーンの場合には前記窒素酸化物と
ともに該排気ガス中の酸素を蓄積するとともに、該排気
ガスの空燃比がリッチあるいはストイキオの場合には該
蓄積した酸素を活性酸素として放出することとしてもよ
い。

【００１５】反応性に富んだ活性酸素を放出すれば、窒
素酸化物とともに含炭素浮遊微粒子も浄化することがで
きるので好ましい。

【００１６】かかる排気ガス浄化装置においては、白金
族に属する貴金属が担持された触媒を、ＮＯｘ蓄積手段
として用いることもできる。

【００１７】白金系の貴金属は強い酸化活性を有する貴
金属触媒であり、排気ガスの空燃比がリーンの条件で
は、排気ガス中の窒素酸化物を反応させて硝酸塩を生成
するとともに、リッチあるいはストイキオの条件では排
気ガス中の還元物質を用いて硝酸塩を窒素に分解するこ
とができるので好ましい。

【００１８】かかる排気ガス浄化装置においては、アル
カリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属の少な
くとも１つが担持された触媒を、前記ＮＯｘ蓄積手段と
して用いることもできる。

【００１９】アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土
類、遷移金属は、硝酸イオンと硝酸塩を生成するので、
排気ガス空燃比の変動に応じて、排気ガス中の窒素酸化
物の蓄積と放出を繰り返し行うことができる。従って、
かかる性質を有するアルカリ金属、アルカリ土類金属、
希土類、遷移金属の少なくとも１つを担持した触媒を、
前記ＮＯｘ蓄積手段として用いれば、排気ガス中の窒素
酸化物を効率浄化することが可能となって好ましい。

【００２０】かかる排気ガス浄化装置においては、前記
捕集フィルタにおける前記含炭素浮遊微粒子の捕集量を
検出する捕集量検出手段と、該検出した捕集量に応じ
て、前記内燃機関の出力を補正する出力補正手段とを備
えることとしてもよい。

【００２１】捕集フィルタでの含炭素浮遊微粒子の捕集
量が増加すると、排気ガスがフィルタを通りにくくなっ
て内燃機関の排気抵抗が増加するので、所望の出力が発
生しない場合があるが、捕集量を検出して機関出力を補
正することとすれば、フィルタでの捕集量にかかわら
ず、常に所望の出力を発生させることが可能となって好
ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の作用・効果をより明確に
説明するために、次のような順序に従って、本発明の実
施例を説明する。Ａ．装置構成：Ａ−１．エンジンの構成：Ａ−２．パティキュレートフィルタの構成：Ａ−３．ＮＯｘ触媒の構成：Ｂ．排気ガス中の有害物質の浄化方法：Ｂ−１．浄化方法の概要：Ｂ−２．低温燃焼の概要：Ｂ−３．ＮＯｘ触媒による浄化の概要：Ｂ−４．パティキュレートフィルタによる浄化の概要：Ｃ．機関出力補正処理：Ｃ−１．処理内容：

【００２３】Ａ．装置構成：以下、本発明の排気ガス浄
化装置を、ディーゼルエンジンに適用した実施例につい
て説明する。もちろん、ディーゼルエンジンに限らず、
燃料をシリンダ内に直接噴射する方式のガソリンエンジ
ンなど、他の内燃機関に適用することもできる。また、
本発明は、車両や船舶搭載用あるいは定置用などのあら
ゆる内燃機関に適用することが可能である。

【００２４】Ａ−１−１．エンジンの構成：図１は、第
１実施例の排気ガス浄化装置を装着したディーゼルエン
ジン１０の概略構成を示した説明図である。ディーゼル
エンジン１０は、いわゆる４気筒エンジンであり、＃１
ないし＃４の４つの燃焼室を有している。各燃焼室には
吸気管１２を介して空気が供給され、各燃焼室に設けら
れた燃料噴射弁１４から燃料が噴射されると、燃焼室内
で空気と燃料とが燃焼して、排気管１６から排気ガスが
排出される。

【００２５】排気管１６の途中には、過給器２０が設け
られている。過給器２０は、排気管１６内に設けられた
タービン２１と、吸気管１２内に設けられたコンプレッ
サ２２と、タービン２１とコンプレッサ２２とをつなぐ
シャフト２３等から構成されている。燃焼室から排出さ
れた排気ガスが過給器２０のタービン２１を回すと、シ
ャフト２３を介してコンプレッサ２２が回転し、空気を
圧縮して各燃焼室内に供給する。本実施例の過給器２０
にはアクチュエータ７０が設けられており、タービン２
１に排気ガスが流入する部分の開口面積を変更すること
が可能となっている。排気ガス流量に応じて開口面積を
適切に制御することで、過給器２０の性能を向上させる
ことができる。コンプレッサ２２の上流側にはエアクリ
ーナ２６が設けられており、コンプレッサ２２はエアク
リーナ２６から取り入れた空気を圧縮して燃焼室内に供
給する。コンプレッサ２２で圧縮すると空気の温度が上
昇するので、コンプレッサ２２の下流には空気を冷却す
るためのインタークーラ２４が設けられていて、圧縮し
た空気をインタークーラ２４で冷却してから燃焼室内に
供給することも可能となっている。

【００２６】タービン２１の上流側の排気管１６内に
は、＃１ないし＃４の各燃焼室毎にパティキュレートフ
ィルタ１００が設けられている。パティキュレートフィ
ルタ１００は、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子
と炭化水素系化合物とを捕集するとともに、該炭化水素
系化合物の反応熱を利用して、捕集した含炭素浮遊微粒
子を比較的低温の排気ガス中で燃焼させることができ
る。パティキュレートフィルタ１００については後述す
る。

【００２７】各パティキュレートフィルタ１００の上流
側の排気管１６と吸気管１２とは、ＥＧＲ通路６０でつ
ながっており、排気ガスの一部を吸気管１２内に導入可
能となっている。ＥＧＲ通路６０に設けられたＥＧＲ弁
６２の開度を調整することで、吸気管１２内に導入する
排気ガス量を制御することができる。

【００２８】タービン２１の下流側の排気管１６内に
は、ＮＯｘ触媒２００が設けられている。ＮＯｘ触媒２
００は、排気ガスの空燃比が理論空燃比より薄い場合
（いわゆるリーン）にはＮＯｘを蓄積し、空燃比が理論
空燃比より濃い場合（いわゆるリッチ）あるいは理論空
燃比の場合（いわゆるストイキオ）には蓄積したＮＯｘ
を放出することによって、排気ガス中のＮＯｘを浄化す
る。ＮＯｘ触媒２００については後述する。

【００２９】燃料供給ポンプ１８および燃料噴射弁１１
４は、エンジン制御用ＥＣＵ３０の制御のもとで、適切
な量の燃料を適切なタイミングで燃焼室内に噴射する。

【００３０】エンジン制御用ＥＣＵ３０は、エンジン回
転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃといったエンジンの運
転条件を検出し、運転条件に応じて燃料供給ポンプ１８
や燃料噴射弁１４、ＥＧＲ弁６２、過給器２０のアクチ
ュエータ７０などを適切に制御する。また、各パティキ
ュレートフィルタ１００の上流側および下流側には圧力
センサ６４，６６が設けられており、エンジン制御用Ｅ
ＣＵ３０は、これら圧力センサによって、パティキュレ
ートフィルタ１００の上流側および下流側の排気管内圧
力を検出することが可能である。

【００３１】ＮＯｘ触媒２００の上流側の排気管１６に
は、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ７２が装
着されており、また、吸気管１２内には、電動スロット
ル弁２８が設けられている。エンジン制御用ＥＣＵ３０
は、空燃比センサ７２の出力を検出し、排気ガス空燃比
が目標の空燃比となるように、燃料噴射量あるいはスロ
ットル弁２８の開度を制御している。

【００３２】Ａ−２．パティキュレートフィルタの構
成：図２は、排気管１６に装着されているパティキュレ
ートフィルタ１００の外観形状を示す斜視図である。理
解を容易にするために、一部分の断面をとって内部構造
を拡大して表示している。パティキュレートフィルタ１
００は、円筒状のケース１０２と、ケース１０２内に挿
入されて外周をケースに溶接されたエレメント１０４と
から構成されている。エレメント１０４は、耐熱金属製
の不織布１０６と同じく耐熱金属製の波板１０８とを重
ねて、中心棒１１０を芯にして円筒状に巻き付けたロー
ル構造となっている。本実施例のパティキュレートフィ
ルタ１００で用いるエレメント１０４は、外径が約５５
ｍｍ、長さが約４０ｍｍのものを使用している。もちろ
ん、これら寸法は、ディーゼルエンジンの排気量や排気
管１６の内径などにあわせて、適宜変更することができ
る。

【００３３】不織布１０６は波板１０８とともに巻き付
けられているので、不織布１０６同士の間隔は、波板１
０８によって所定の間隔に保たれており、不織布１０６
と波板１０８との間には、中心棒１１０の軸方向に沿っ
て多数の通路が形成されている。エレメント１０４の両
側には、封止板１１２が溶接されている。封止板１１２
は、不織布１０６と波板１０８との間に形成された通路
を互い違いに閉塞して、排気ガスが不織布１０６を通過
する構造を形成する。図３を参照して、封止板１１２に
より排気ガスが不織布１０６を通過する構造が形成され
る様子を説明する。

【００３４】図３は、パティキュレートフィルタ１００
の断面構造を概念的に示す説明図である。尚、図が煩雑
になることを防ぐために、図３では、波板１０８の表示
は省略している。図示するように、封止板１１２は、所
定の間隔に保たれて隣接する不織布１０６の間に形成さ
れる通路を、互い違いになるように閉塞する。このた
め、図中に矢印で示したように、図の左側から排気ガス
が流れてくると、封止板１１２で塞がれていない通路に
一旦は流入するが、通路の出口側は封止板１１２で塞が
れている。そこで排気ガスは、図中に太い矢印で示すよ
うに、通路側面を構成する不織布１０６を通って、出口
側が塞がれていない通路に抜けていく。こうして排気ガ
スが不織布１０６を抜ける際に、排気ガス中に含まれて
いるススなどの含炭素浮遊微粒子を不織布１０６によっ
て捕集することができる。

【００３５】ここで、不織布１０６は、図４に例示する
ような所定範囲の諸元を有する鉄系の耐熱合金製不織布
が使用されており、このため、含炭素浮遊微粒子や炭化
水素系化合物を、排気ガス中の酸素と接触可能に分散し
た状態で捕集することができる。このように、浮遊微粒
子を３次元的に分散した状態で捕集すると、後述するよ
うに、捕集した微粒子がある程度の量に達した時点で自
然に着火して燃焼させることができる。含炭素浮遊微粒
子や炭化水素系化合物が分散した状態で捕集されるメカ
ニズムおよび、分散して捕集することで捕集した含炭素
浮遊微粒子が自然に燃焼するメカニズムについては後述
する。

【００３６】図４中に示す「繊維径」とは、不織布を形
成する金属繊維の平均直径を示す。金属不織布は、無数
の金属繊維が複雑に絡み合って形成されており、金属繊
維の間には、複雑に分岐した３次元的な通路が形成され
ている。「細孔径」とは、金属繊維間に形成された通路
断面の大きさを表す指標であり、等価な断面積を有する
円形通路の内径（直径）を示している。「細孔径」の値
は、もっとも簡便には、走査型電子顕微鏡で撮影した金
属不織布表面あるいは断面の写真に基づいて、目視によ
って計測することができる。

【００３７】尚、上述した本実施例のエレメント１０４
は、エレメント１０４の両端に封止板１１２を溶接して
形成されているものとして説明したが、以下に説明する
ように、封止板１１２を用いない構造としてもよい。

【００３８】図５は、封止板を用いない構造のエレメン
トを備えるパティキュレートフィルタ１００の断面図で
ある。図５では、図が煩雑となることをさけるために、
波板１０８の表示は省略している。前述した図３では、
不織布１０６の両端に互い違いに封止板１１２を溶接し
たが、封止板を溶接する代わりに、図５に示すように、
不織布同士を端部１１３で互いに溶接してもよい。こう
すれば封止板１１２を省略することができるので、パテ
ィキュレートフィルタ１００をより簡便に製造すること
ができる。

【００３９】尚、上述の図４に示した不織布の諸元はあ
くまでも例示であって、不織布の諸元は図中に例示され
た値に限定されるものではない。また、本実施例では、
鉄系の耐熱合金製の金属不織布を用いているが、周知の
他の耐熱性の金属不織布を用いても構わない。

【００４０】上述したように、パティキュレートフィル
タ１００の不織布１０６は、排気ガス中の含炭素浮遊微
粒子を不織布１０６の内部に３次元的に分散した状態で
捕集することができるので、ある程度の量の微粒子を捕
集すると、自然に着火させて微粒子を燃焼させることが
できる。このため、本実施例のパティキュレートフィル
タ１００は、意図的に排気ガス温度を上昇させるといっ
た特別な操作を行わずとも、フィルタを自然に再生させ
ることができる。本明細書中では、本実施例のパティキ
ュレートフィルタ１００が有するこのような機能を「自
然再生機能」と呼ぶ。自然再生機能の詳細については後
述する。

【００４１】Ａ−３．ＮＯｘ触媒の構成：図６は、ター
ビン２１の下流側に設けたＮＯｘ触媒２００の構造を示
す説明図である。図６（ａ）は、排気ガスが流入する側
から見た正面図であり、図６（ｂ）は側断面図である。
図示するように、ＮＯｘ触媒２００は、いわゆるハニカ
ム構造を有しており、排気ガスが通過する通路２０２が
内部に多数形成されている。このハニカム構造は、コー
ジライトを焼成して形成されており、コージライト製の
通路２０２の隔壁表面２０６には、アルミナを主成分と
する基材層が形成されている。この基材層の上に貴金属
触媒とＮＯｘ蓄積剤とが担持されている。貴金属には、
白金Ｐｔが主に使用されるが、他にパラジウムＰｄなど
の酸化活性を有する金属を適用することができる。ＮＯ
ｘ蓄積剤としては、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などのアルカ
リ金属や、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，セリウムＣｅのような希土類、および遷
移金属から選ばれた元素が主に使用される。尚、ＮＯｘ
蓄積剤としては、カルシウムＣａよりもイオン化傾向の
高いアルカリ金属やアルカリ土類金属、すなわち、カリ
ウムＫ，リチウムＬｉ、セシウムＣｓ，ルビジウムＲ
ｂ，バリウムＢａ，ストロンチウムＳｒを好適に用いる
ことができる。

【００４２】Ｂ．排気ガス中の有害物質の浄化方法：以
下、ディーゼルエンジン１０の排気ガス中に含まれる有
害物質を、本実施例の排気ガス浄化装置が浄化する方法
について説明する。

【００４３】Ｂ−１．浄化方法の概要：ディーゼルエン
ジンの排気ガス中には、ススなどの含炭素浮遊微粒子や
ＮＯｘなどの有害物質が含まれている。ディーゼルエン
ジンでは、含炭素浮遊微粒子の排出量とＮＯｘの排出量
とは通常、二律背反の関係にあり、含炭素浮遊微粒子の
排出量が減少するようにエンジンを調整するとＮＯｘの
排出量が増加し、ＮＯｘの排出量が減少するように調整
すると、今度は含炭素浮遊微粒子の排出量が増加する。
本実施例のディーゼルエンジン１０では、以下に詳細に
説明するように、低負荷で運転されている場合には、本
明細書中で低温燃焼と呼ぶ特殊な方式の燃焼を行うこと
で、含炭素浮遊微粒子の排出量とＮＯｘの排出量とを同
時に減少させ、中高負荷で運転されている場合には、Ｎ
Ｏｘ触媒を利用して含炭素浮遊微粒子とＮＯｘとを同時
に浄化する。このため、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子
の排出量とＮＯｘの排出量とを同時に減少させることが
可能である。

【００４４】図１を用いて説明したように、本実施例の
排気ガス浄化装置においては、後述する自然再生機能を
有するパティキュレートフィルタ１００が、ＮＯｘ触媒
２００の上流側に設けられている。このため、ＮＯｘ触
媒には含炭素浮遊微粒子が多量に含まれた排気ガスが流
入することがないので、触媒表面がススなどの微粒子に
覆われて触媒性能が低下する現象（いわゆる炭素被毒）
が生じることなく、常に高い浄化性能を保つことができ
る。

【００４５】自然再生機能を有するパティキュレートフ
ィルタ１００は、捕集した含炭素浮遊微粒子を自然に燃
焼させることが可能である。更に、詳細には後述する
が、低温燃焼は、パティキュレートフィルタ１００の有
する自然再生機能を促進させる作用をする。このため、
エンジンを種々の運転条件で長期に渡って運転した場合
でも、捕集した含炭素浮遊微粒子でフィルタが目詰まり
することがない。後述するように、ＮＯｘ触媒２００
は、触媒に流入する排気ガスの空燃比を適切に切り換え
ることで、排気ガス中のＮＯｘの蓄積と放出とを繰り返
しながらＮＯｘを浄化している。上流側に設けたパティ
キュレートフィルタ１００が目詰まりすることがなけれ
ば、ＮＯｘ触媒２００に流入する排気ガスの空燃比を迅
速に切り換えることができるので、排気ガス中に含まれ
るＮＯｘを効率よく浄化することが可能となる。このよ
うに、本実施例の排気ガス浄化装置においては、低負荷
時における有害物質の排出量を主に低減する低温燃焼
と、中高負荷時における有害物質の排出量を主に低減す
るＮＯｘ触媒２００と、自然再生機能を有するパティキ
ュレートフィルタ１００といった各要素を組み合わて用
いることで、互いの機能を補って、排気ガス中の有害物
質を効率よく浄化することが可能となっている。以下、
各要素の機能について、他の要素との相補的な働きに言
及しながら説明する。

【００４６】Ｂ−２．低温燃焼の概要：図７は、本明細
書中で「低温燃焼」と呼ぶ特殊な燃焼方式の原理を示す
説明図である。ディーゼルエンジンは、通常、ＥＧＲと
呼ばれる手法を適用することによって、ＮＯｘの排出量
を減少させている。ＥＧＲとは、ＥｘｈａｕｓｔＧａ
ｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ（排気ガス再循環）の
略語であって、排気ガスの一部を吸気管内に還流させる
ことによって、排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を低下
させる手法である。

【００４７】ＥＧＲ率（エンジンの吸気量の中、排気ガ
スの占める割合）が小さいうちは、ＥＧＲ率を増加させ
るほどＮＯｘ濃度は低下していくが、あるＥＧＲ率を越
えると、ススなどの含炭素浮遊微粒子の排出量が急増し
始めるので、通常は、含炭素浮遊微粒子が急増する手前
のＥＧＲ率に設定される。低温燃焼とは、このＥＧＲ率
よりも更に多量の排気ガスを還流させる燃焼方式であ
る。図７を参照しながら説明する。

【００４８】図７は、ＥＧＲ率を次第に増加させて行っ
たときに、排気ガス中のＮＯｘ濃度，スモーク，ＣＯ
（一酸化炭素）濃度，ＨＣ（未燃炭化水素系化合物）濃
度が変化する様子を概念的に示した説明図である。スモ
ークとは、排気ガス中のススなどの含炭素浮遊微粒子の
濃度を表す指標であり、スモークメータと呼ばれる専用
の測定装置によって計測される。排気ガスにススなどの
含炭素浮遊微粒子が全く含まれていない場合はスモーク
の値は「０」となり、微粒子の濃度が大きくなるほどス
モークの値は大きくなる。図示する例では、ＥＧＲ率が
４０％を越えるあたりから、スモークの値が増加し始め
るが、更にＥＧＲ率を増加させていくと、ＥＧＲ率が約
６０％の付近を境にしてスモークがほとんど発生しなく
なる。また、ＥＧＲ率を大きくするほどＮＯｘ濃度は減
少することから、このように大きなＥＧＲ率では、ＮＯ
ｘの排出量もほとんど「０」（高々、１０ｐｐｍ程度）
となる。

【００４９】低温燃焼とは、このように、排気ガスを大
量に還流させて燃焼させることで、排気ガス中の含炭素
浮遊微粒子の排出量およびＮＯｘの排出量をいずれも大
幅に減少させる燃焼方式である。

【００５０】ここで、低温燃焼と排気ガス空燃比との関
係について説明しておく。ディーゼルエンジンの燃焼
は、通常、燃料に対して酸素が過剰に存在する条件下で
行われる。このため、排気ガス中には多量の酸素が存在
している。排気ガス中には、燃え残った燃料に相当する
未燃炭化水素系の化合物や一酸化炭素なども多少は残存
しているが、これら未燃の燃料を全て燃焼させたとして
も、依然として過剰な酸素が存在している。このよう
に、排気ガスに含まれる未燃の燃料と酸素とのバランス
を考えて、未燃の燃料を全て燃焼させたとしても酸素が
余るような組成となっているとき、「排気ガス空燃比が
リーンになっている」という。逆に、酸素が足りなくな
るような排気ガス組成の場合は、「排気ガス空燃比がリ
ッチになっている」という。また、排気ガス中の未燃の
燃料をちょうど燃焼させる分だけの酸素が存在してい
て、いずれも余らない組成になっているとき、「排気ガ
ス空燃比が理論空燃比にある」という。理論空燃比はス
トイキオと呼ばれることもある。排気ガス空燃比は、厳
密には燃料の性状にも依存するが、排気ガスの組成がス
トイキオの場合に「１４．７〜１４．８」付近の値をと
る。また、排気ガスの組成がリーンになっていくに従っ
て排気ガス空燃比の値は大きくなり、排気ガスの組成が
リッチになっていくに従って排気ガス空燃比の値は小さ
くなる。

【００５１】低温燃焼は、前述したように、大量の排気
ガスを吸気中に還流させる。一回の吸気で燃焼室内に供
給される吸気量（吸入空気量と排気ガスの還流量との
和）が一定とすれば、排気ガスの還流量が多くなるほ
ど、空気の吸入量は減少する。ここで、排気ガス中の酸
素濃度は空気の酸素濃度より低いから、排気ガスの還流
量が増加するほど、すなわちＥＧＲ率が大きくなるほ
ど、排気ガス中の酸素濃度が減少して、排気ガス空燃比
がリッチ側に近づいていく。図７の上側には、ＥＧＲ率
を増加させるに従って、排気ガス空燃比がリーンからリ
ッチ側に近づいて行く様子が示されている。このよう
に、低温燃焼では排気ガスを大量に還流させる結果、排
気ガス空燃比が通常の燃焼方式に比べてリッチ側にシフ
トしており、排気ガス空燃比をほぼストイキオにするこ
とも可能である。

【００５２】図８は、低温燃焼が成立する前後のＥＧＲ
率において、燃焼室内の燃焼圧力を計測した結果を概念
的に示したものである。図８（ａ）は、スモークの排出
量がもっとも多い条件（ちなみに、この時の排気ガス空
燃比の値は「２１」前後）における燃焼圧力を示し、図
８（ｂ）は低温燃焼が成立している条件（この時の排気
ガス空燃比の値は「１８」前後）での燃焼圧力を示して
いる。図示されているように、低温燃焼が成立している
条件では、通常の燃焼に比べて燃焼圧力が低くなってい
る。また、図８（ａ）に示す通常燃焼においては、燃焼
圧力が急激に上昇するのに対して、図８（ｂ）に示す低
温燃焼の条件においては、燃焼圧力はゆっくりと上昇し
ている。このことから、低温燃焼の燃焼形態は、通常燃
焼の場合に比べて、燃焼温度が低く、緩慢な燃焼になっ
ていると思われる。

【００５３】低温燃焼においては、スモーク（すなわ
ち、ススなどの含炭素浮遊微粒子）などがほとんど排出
されないメカニズムについては、未だ充分には解明され
ていないが、現時点では次のような可能性が考えられ
る。

【００５４】一つの可能性としては、低温燃焼の燃焼温
度が通常燃焼に比べてかなり低いことによる影響が考え
られる。低温燃焼を行うと、通常燃焼に比べて燃焼温度
が低くなるのは、低温燃焼の燃焼が緩慢であることの他
に、排気ガス中に二酸化炭素や水蒸気などの燃焼生成物
が多量に含まれていることによる。二酸化炭素や水蒸気
は比熱が大きいため、これらが多量に存在するほど温度
が上昇しにくくなって、その結果として燃焼温度が低く
なる。燃料には、図９に示すような直鎖状炭化水素系化
合物や芳香族炭化水素系化合物がかなりの割合で含まれ
ており、ある温度以上の高温で燃焼させると、これら化
合物が熱分解されてススなどの含炭素浮遊微粒子を生成
するものと考えられる。低温燃焼を行うと含炭素浮遊微
粒子がほとんど生成されない理由の一つは、ススなどを
生成するほどには燃焼温度が高くないためと考えられ
る。前述した図７に示されているように、低温燃焼を行
うと、スモークが急激に減少するタイミングでＣＯ濃度
やＨＣ濃度が増大していることは、熱分解された燃料中
の炭化水素系化合物が、ススなどに変化する前の段階で
排気ガス中に排出されているためと考えることができ
る。

【００５５】他の可能性としては、低温燃焼の燃焼温度
が低く、加えて、燃焼が緩慢であることによる影響が考
えられる。すなわち、ディーゼルエンジンでは、圧縮し
て高温になった吸気中に液滴の燃料を噴霧し、液滴表面
から蒸発した燃料が次々に燃焼する、いわゆる拡散燃焼
と呼ばれる燃焼形態をとる。燃焼に必要な酸素は、液滴
の周囲の吸気中から供給される。拡散燃焼における燃料
液滴の内部では、図９に示すような炭素数の大きな炭化
水素系化合物が炭素数の小さな化合物に熱分解されると
ともに、液滴表面に拡散した後に酸素と化合して燃焼し
ているものと考えられる。ここで、燃焼温度が高く、し
かも燃焼が急峻な場合、液滴内部から表面への拡散が追
いつかず、燃料液滴内部の炭化水素系化合物が酸素不足
のまま熱分解されると、ススなどの含炭素浮遊微粒子が
生成すると考えられる。低温燃焼を行うと含炭素浮遊微
粒子がほとんど排出されない理由として、燃焼が緩慢
で、しかも燃焼温度が低いことが考えられる。

【００５６】図１０は、吸気に還流する排気ガスを冷却
して、低温燃焼が成立する条件を調べた結果を概念的に
示した説明図である。図中の曲線Ｃは、還流させる排気
ガスを冷却しない場合に、ＥＧＲ率に対するスモークの
発生量を示したものである。また、図中の曲線Ｂおよび
曲線Ａは、排気ガスを冷却した場合のＥＧＲ率に対する
スモークの発生量を示したものであり、曲線Ａは冷却器
の能力限界まで排気ガスを冷却した場合（排気ガス温度
は約９０℃前後）を、曲線Ｂは曲線Ａと曲線Ｃとのほぼ
中間的な条件を示している。図示するように、排気ガス
を冷却すれば、それだけ、小さなＥＧＲ率から低温燃焼
を成立させることができる。

【００５７】上述したように、低温燃焼を行えばススな
どの含炭素浮遊微粒子の排出量およびＮＯｘの排出量を
同時に減少させることが可能であるが、エンジン運転条
件が中高負荷の条件では、低温燃焼を成立させることは
通常、困難である。なぜなら、エンジンをより高い負荷
で運転するためには、当然、燃料の噴射量と吸入する空
気量とを増やしてやる必要がある。ここで、１回の吸気
で燃焼室内に吸入する空気量と、吸気側への排気ガスの
還流量との合計値は、原則として変わらないから、空気
量が増加すれば排気ガスの還流量がその分だけ減少する
ので、ＥＧＲ率を低温燃焼が成立する程に高い値に維持
できなくなるためである。このような制約から、本実施
例のディーゼルエンジン１０では、図１１に示すよう
に、エンジン運転条件が領域Ｒ１にある場合は低温燃焼
を行い、領域Ｒ２にある場合は通常燃焼を行っている。
より具体的には、エンジン回転速度とエンジンの要求ト
ルクとをパラメータとして、制御の目標とする排気ガス
空燃比を設定したマップを、低温燃焼用のマップと、通
常燃焼用のマップとしてそれぞれ記憶しておき、排気管
１６に装着した空燃比センサ７２で排気ガス空燃比が目
標空燃比となるように制御するのである。参考として、
低温燃焼時に参照するマップを図１２に、通常燃焼時に
参照するマップを図１３にそれぞれ例示する。これらマ
ップは、エンジン制御用ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶され
ている。

【００５８】また、ＥＧＲ弁６２の弁開度についても、
制御目標空燃比と同様に、低温燃焼用と通常燃焼用のそ
れぞれにマップとして記憶されており、かかるマップに
基づいて制御することで、適切なＥＧＲ率でエンジンを
運転することが可能となっている。

【００５９】Ｂ−３．ＮＯｘ触媒による浄化の概要：上
述したように、本実施例のディーゼルエンジン１０は、
低負荷時には低温燃焼を行うことで、含炭素浮遊微粒子
の排出量およびＮＯｘの排出量を同時に低減させている
が、中高負荷時には、ＮＯｘ触媒を利用し、次のように
して含炭素浮遊微粒子およびＮＯｘの排出量を低減させ
ている。

【００６０】図１４は、ＮＯｘ触媒２００の表面を概念
的に示した拡大図である。ＮＯｘ触媒２００の表面に
は、カリウムＫやバリウムＢａなどのＮＯｘ蓄積剤２０
３と、白金Ｐｔなどの貴金属触媒２０４が担持されてい
る。白金Ｐｔなどの貴金属触媒２０４は、粒径が１μｍ
以下の微粒子状で、ＮＯｘ蓄積剤２０３の上に均一に分
散して担持されている。

【００６１】図１３（ａ）は、排気ガス空燃比がリーン
となっている場合に、ＮＯｘ蓄積剤２０３がこれを取り
込む様子を概念的に示した説明図である。排気ガス中に
は、燃焼によって生じるＮＯｘが含まれている。ＮＯｘ
はほとんどが一酸化窒素ＮＯの状態で含まれているの
で、図１３ではＮＯｘを一酸化窒素ＮＯとして表示して
いる。一酸化窒素ＮＯは極性分子であることから、排気
ガス中のＮＯは速やかに白金Ｐｔ上に吸着する。Ｐｔは
強い酸化活性を有しているため、ＮＯはＰｔ上で排気ガ
ス中に含まれる酸素と反応して硝酸イオンＮＯ3^-とな
り、硝酸塩の形でＮＯｘ蓄積剤２０３に取り込まれる。
Ｐｔ上の硝酸イオンＮＯ3^-は、いわゆる「スピルオー
バ」と呼ばれる現象によって、ＮＯｘ蓄積剤２０３まで
移動する。「スピルオーバ現象」とは、金属触媒上で吸
着分子が活発に動き回る現象である。触媒上では、Ｐｔ
などの微粒子はできるだけ均一に分散させているとはい
え、分子レベルで言えば局在していることに変わりはな
いが、スピルオーバ現象によって吸着分子が表面を活発
に移動し得るために、表面全体が触媒として機能してい
るものと考えられている。このように、排ガス中に酸素
が過剰に存在している条件では、ＮＯがＰｔ上で酸化さ
れ、スピルオーバ現象によってＮＯｘ蓄積剤２０３まで
運ばれて、硝酸塩の形で過剰酸素とともに蓄えられる。

【００６２】図１３（ｂ）は、排気ガス空燃比がリッチ
あるいはストイキオとなっている場合に、ＮＯｘ蓄積剤
２０３が蓄えた酸素を活性酸素として放出する様子を概
念的に示した説明図である。排気ガス中には、炭化水素
系化合物や一酸化炭素などの還元物質が含まれている。
ススなどの含炭素浮遊微粒子も還元物質として作用す
る。図１３（ｂ）では、炭化水素系化合物をＨＣと表示
し、ススなどの含炭素浮遊微粒子は炭素を表すＣで模式
的に表示している。前述したようにＰｔは強い酸化活性
を有しているので、排気ガス中に酸素が存在すれば、こ
れら還元物質を酸化して、二酸化炭素ＣＯ2 や水に変換
することができる。

【００６３】ところが、還元物質に見合うだけの酸素が
存在していない場合には、図１３（ｂ）に示すように、
ＰｔはＮＯｘ蓄積剤２０３に蓄えておいた硝酸イオンを
分解し、発生した活性酸素を用いて還元物質を酸化す
る。図１３（ｂ）を参照しながら、かかる現象について
説明する。ＮＯｘ蓄積剤２０３に蓄えられていた硝酸イ
オンは、スピルオーバ現象によってＰｔ上に移動する。
Ｐｔ上では、硝酸イオンの電子雲がＰｔ側に吸い寄せら
れて偏在する結果、硝酸イオンの窒素原子と酸素原子と
の間の化学結合が切れ易い状態になっている。図１３
（ｂ）において、硝酸イオンを「Ｎ＋３・Ｏ」と表示し
ているのは、窒素原子と酸素原子との間の結合が切れ易
くなっている様子を模式的に表示したものである。この
ような状態に還元物質が作用すると、窒素原子と酸素原
子との結合が切断されて活性酸素が発生する。活性酸素
は極めて反応性に富んだ物質であり、排気ガス中の炭化
水素系化合物、一酸化炭素や、ススなどの含炭素浮遊微
粒子などと速やかに反応して、これらを二酸化炭素ＣＯ
2 や水などに変換することができる。

【００６４】このように、ＮＯｘ触媒２００は、排気ガ
ス空燃比がリーンの条件では酸素とＮＯｘとを硝酸塩と
して取り込み、酸素が存在しない条件では硝酸塩を活性
酸素と窒素に分解する。こうして発生した活性酸素を利
用すれば、含炭素浮遊微粒子を分解することが可能であ
る。

【００６５】本実施例のディーゼルエンジン１０では、
ＮＯｘ触媒２００に流入する排気ガスの空燃比が、定期
的にあるいは所定のタイミングで所定時間だけストイキ
オ（あるいはリッチ）となるように、エンジンを制御す
ることによって、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒
子およびＮＯｘの排出量を低減している。すなわち、図
１２あるいは図１３に示されるように、ディーゼルエン
ジン１０は、通常、排気ガス空燃比がリーンの状態で運
転されているが、所定時間だけ意図的に排気ガス空燃比
をストイキオあるいはリッチとするのである。

【００６６】排気ガス空燃比をストイキオあるいはリッ
チにする方法としては種々の方法を適用することができ
るが、例えば膨張行程の後半に、あるいは排気行程中に
燃料噴射弁１４から少量の追加燃料を噴射してやればよ
い。膨張行程では燃焼ガスが断熱膨張するために、燃焼
ガス温度は急激に低下する。このため膨張行程の後半あ
るいは排気行程で追加の燃料を噴射しても、ススなどが
増加することはない。また、ディーゼルエンジン１０の
運転条件が図１１の領域Ｒ１にあり、エンジンが低温燃
焼している場合は、排気ガスの還流量を増やしてＥＧＲ
率を増加させればその分だけ吸入空気量が減少するの
で、排気ガス空燃比をストイキオあるいはリッチとする
ことができる。もちろん、排気ガスの還流量を増加させ
る変わりに、電動スロットル弁２８を若干閉じることで
吸入空気量を減少させてもよい。

【００６７】このようにして空燃比を周期的に変動させ
てやれば、ＮＯｘ触媒２００に流入する排気ガス空燃比
がリーンの時には、ＮＯｘおよび酸素がＮＯｘ蓄積剤に
蓄積される。また、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子も触
媒表面に堆積する。排気ガス空燃比がストイキオあるい
はリッチに切り替わると、蓄積されていたＮＯｘが窒素
に分解され、その際に発生する活性酸素が排気ガス中の
ＣＯや未燃のＨＣ、触媒上に堆積しているススなどと反
応して、ＣＯ2 や水蒸気に変換する。本実施例のディー
ゼルエンジン１０は、ＮＯｘ触媒２００を利用して、以
上のようにして排気ガス中のＮＯｘや含炭素浮遊微粒
子、ＣＯや未燃のＨＣなどの有害物質を浄化している。

【００６８】もっとも、ディーゼルエンジン１０の運転
条件により、あるいはエンジンの整備不良などの理由
で、ススなどの含炭素浮遊微粒子が多量に含まれた排気
ガスを長い期間浄化し続けていると、ＮＯｘ触媒２００
の表面がススなどの微粒子で覆われてしまう場合も起こ
り得る。触媒の表面が覆われてしまうと、排気ガス中の
ＮＯｘと酸素とを硝酸塩の形で取り込むことができなく
なり、触媒作用の低下を引き起こす。このような状態
は、炭素被毒と呼ばれる。Ｐｔを覆うススは、当初は非
晶質性の炭素であるが、やがて安定なグラファイトに変
質し、より深刻な被毒状態を引き起こす。こうした事態
が起きることの無いように、本実施例のディーゼルエン
ジン１０では、ススなどの含炭素浮遊微粒子を捕集する
パティキュレートフィルタ１００が、ＮＯｘ触媒２００
の上流側に設けられている。

【００６９】Ｂ−４．パティキュレートフィルタによる
浄化の概要：図２ないし図５を用いて前述した構造を有
するパティキュレートフィルタ１００は、排気ガス中の
含炭素浮遊微粒子を不織布１０６の内部に３次元的に分
散した状態で捕集し、ある程度の微粒子を捕集すると、
自然に着火させて微粒子を燃焼させることができる。本
実施例のパティキュレートフィルタ１００は、このよう
な自然再生機能を有しているため、意図的に排気ガス温
度を上昇させるといった特別な操作を行わずとも、捕集
したススなどの含炭素浮遊微粒子を燃焼させることがで
きる。このような自然再生機能のメカニズムについては
全てが解明されたわけではないが、現時点で推定される
メカニズムについて若干説明する。

【００７０】ディーゼルエンジンの排気ガス中には、含
炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が、図１５に示すよ
うな割合で含まれていることが分かっている。すなわ
ち、おおまかに言えば、ススなどの浮遊微粒子と、燃料
に起因する炭化水素系化合物と、潤滑油に起因する炭化
水素系化合物とが、ほぼ同じ割合で含まれている。スス
などの浮遊微粒子は、酸素を含んだ排気ガス雰囲気中で
も通常は５５０℃以上にならないと燃焼しないと言われ
ている。これに対して、燃料や潤滑油に起因する炭化水
素系化合物は、酸素さえ供給されれば、５５０℃より低
い温度でも何らかの酸化反応が起こり得る。

【００７１】本実施例のパティキュレートフィルタ１０
０では、図４に例示するような所定範囲の細孔径分布を
有する金属不織布１０６を使用しており、排気ガス中の
含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを、不織布内部
に３次元的に分散した状態で捕集する。このため、捕集
された炭化水素系化合物の一部は、排気ガス中の酸素が
十分に供給される状態で捕集されており、排気ガスの温
度によってゆっくりとした酸化反応（発熱反応）を開始
して、フィルタ温度を次第に上昇させる。この結果、含
炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物がある程度フィ
ルタに捕集された時点でフィルタ温度が５５０℃以上と
なり、フィルタ上の微粒子と炭化水素系化合物とを一気
に燃焼させることができるものと考えられる。

【００７２】図１６は、本実施例のパティキュレートフ
ィルタ１００が自然再生を行う様子を概念的に示した説
明図である。図１６（ａ）は、ディーゼルエンジン１０
の排気管１６内にパティキュレートフィルタ１００が装
着されている様子を模式的に示している。図１６（ｂ）
は、ディーゼルエンジン１０を一定条件で運転しなが
ら、フィルタ前後の差圧ｄＰおよびフィルタに流れ込む
排気ガス温度Ｔｇ、フィルタ温度Ｔｆを計測して得られ
た結果を概念的に示す説明図である。

【００７３】ディーゼルエンジン１０の運転を開始する
と、排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆが直ちに
上昇して定常温度に達する。このとき、実際には、フィ
ルタ温度Ｔｆは排気ガス温度Ｔｇよりも高い値となる
が、説明を簡明にする観点から、ここでは２つの温度に
有意な差は無いものとして説明する。

【００７４】パティキュレートフィルタ１００が新品の
場合、フィルタ前後の差圧ｄＰは初めの間は次第に増加
して行くが、やがて一定値に安定する。フィルタ前後の
差圧が一定値に安定するのは、本実施例のパティキュレ
ートフィルタ１００が、排気ガス中の浮遊微粒子をフィ
ルタ表面だけでなく、フィルタ内部に３次元的に捕集す
るためである。差圧が安定する値は主にフィルタの設計
緒元によって変化するが、代表的には新品時差圧の３倍
ないし４倍程度の値となることが多い。説明の便宜上、
ディーゼルエンジン１０の運転を開始してから、フィル
タ前後の差圧が安定するまでの期間を、「第１期」と呼
ぶことにする。

【００７５】フィルタ前後の差圧が安定した後、ディー
ゼルエンジン１０をしばらく運転していると、排気ガス
温度Ｔｇは変化しないにも関わらず、フィルタ温度Ｔｆ
が少しずつ上昇し始める。フィルタ温度Ｔｆと排気ガス
温度Ｔｇとの乖離は次第に大きくなり、ついにはフィル
タ温度Ｔｆが５５０℃前後に達する。この間、ススなど
の含炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物がフィルタ
で捕集されることに伴って、フィルタ前後の差圧ｄＰは
ごく僅かに増加する傾向にあるが、有意な増加量を計測
できない場合もある。

【００７６】フィルタ温度Ｔｆが上昇して５５０℃付近
に達すると、フィルタに捕集されたススなどの含炭素浮
遊微粒子が燃焼し始め、捕集した微粒子が全て燃焼する
と、フィルタ温度Ｔｆは排気ガス温度Ｔｇ付近の温度ま
で速やかに低下する。排気ガス中のススなどが捕集され
ることによるフィルタ前後での差圧ｄＰの増加を検出可
能な場合には、フィルタ上でススなどが燃焼するときに
差圧ｄＰの低下を検出することができる。第１期が終了
した後に、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇから次
第に乖離していき、再び排気ガス温度Ｔｇに低下するま
での期間を「第２期」と呼ぶことにする。尚、第１期の
期間は第２期の期間に比べてかなり短いが、図１６では
表示上の理由から、第１期の期間を第２期に対して実際
よりも長く表示している。

【００７７】フィルタに捕集されたススなどが燃焼し終
わって、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇ付近の温
度に低下しても、しばらくすると再びフィルタ温度Ｔｆ
が上昇し始め、やがて５５０℃に達して捕集したススな
どが燃焼する。このように、フィルタはいつまでも第２
期の状態に保たれて、排気ガス中に含まれるススなどの
捕集と燃焼とを繰り返す。以上が、パティキュレートフ
ィルタ１００の有する自然再生機能の第１の形態であ
る。

【００７８】排気ガス温度Ｔｇが高い条件では、自然再
生機能の第２の形態が発現する。図１６（ｃ）は、図１
６（ｂ）の条件に対して排気ガス温度が若干高い（代表
的には５０℃）条件でディーゼルエンジン１０を運転し
たときの、フィルタ温度Ｔｆおよびフィルタ前後の差圧
ｄＰの推移を概念的に示した説明図である。排気ガス温
度に限らず、図１６（ｂ）の条件に対してスス濃度が若
干高くなるように変更した場合にも、同様の結果を得る
ことができる。

【００７９】排気ガス温度Ｔｇが高い条件では、図１６
（ｃ）に示すように、第２期の終了後、フィルタ温度Ｔ
ｆが排気ガス温度Ｔｇ付近まで低下することなく、若干
高い温度で安定する。第２期の終了後、フィルタ温度Ｔ
ｆが排気ガス温度Ｔｇよりも高い温度で安定する期間を
「第３期」と呼ぶことにする。第３期では、ススなどの
捕集と燃焼とが局所的に繰り返されているか、あるいは
同時進行的に行われているものと予想される。このよう
に、自然再生機能の第２の形態では、浮遊微粒子の捕集
と燃焼とが並行して行われている。

【００８０】以上に説明したように、本実施例のパティ
キュレートフィルタ１００は、所定諸元に不織布を使用
しているために、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化
水素系化合物を分散した状態で捕集することができ、こ
のため、捕集した微粒子を、特別な操作を行うことなく
自然に燃焼させることが可能である。パティキュレート
フィルタ１００がススなどの微粒子を分散した状態で捕
集することができるのは、以下に説明するメカニズムに
よって、微粒子を不織布内部に積極的に取り込みながら
捕集するためと思われる。以下、現時点で推定される捕
集メカニズムについて、簡単に説明する。

【００８１】図１７は、耐熱金属製の不織布断面の構造
を概念的に示した説明図である。図中の斜線を付した丸
印は、それぞれが不織布繊維の断面を示している。不織
布は、無数の繊維が複雑に絡み合って形成されていて、
内部には複雑に連通し合う３次元的な通路が無数に形成
されている。

【００８２】図１７（ａ）は、未だ新しい不織布の断面
構造を概念的に表示したものである。排気ガスは、上方
から下方に向かって流れるものとする。繊維の分布に疎
密があるために不織布表面には種々の大きさの開口部が
形成されているが、小さな開口部であっても排気ガスの
気体分子にとっては充分に大きいので、排気ガスは不織
布全面をほぼ均等に通過すると考えられる。図１７
（ａ）では、不織布の繊維間を通過する排気ガスを、太
い矢印を用いて模式的に表示している。

【００８３】排気ガスが不織布を通過すると、排気ガス
中に含まれるススなどの微粒子が繊維の間に捕捉され
て、次第に不織布表面の開口部が閉塞していく。このた
め、図１７（ｂ）に示すように、不織布表面の小さな開
口部はススなどの微粒子で閉塞されてしまい、排気ガス
は閉塞されずに残っている比較的大きな開口部に集中す
る。この結果、不織布を通過する排気ガスの流れは、表
面に閉塞されずに残った大きな開口部から始まる流れに
集約されていく。図１７（ｂ）では、ススなどの微粒子
を小さな黒丸で模式的に表示している。

【００８４】排気ガスが集中して流れれば、それだけ流
速が増加して、通路内に大きな圧力勾配が発生する。こ
の現象を、流れが不織布の繊維と衝突して大きな圧力が
発生していると考えてもよい。前述したように、不織布
内部に形成されている通路は、複雑に連通し合っている
ので、集約されて流れる通路の圧力が高くなれば、直ぐ
に他の通路に分岐していく。このため、不織布前後の差
圧は所定値以上に増加することなく一定範囲に保たれ
る。

【００８５】図１７（ｃ）は、主流が他の通路に分岐し
て流れる様子を概念的に示している。このように、不織
布内部で排気ガスの流れが分岐する結果、排気ガス中に
含まれるススなどの含炭素浮遊微粒子は、不織布の内部
全体で捕集されることになる。仮に、不織布内部のある
箇所がススで閉塞されたとしても、通路は３次元的に複
雑に連通し合っているので、直ぐに他の通路に分岐する
ことが可能である。すなわち、不織布内部では、ある箇
所がススなどによって閉塞しても、通路が自動的に切り
替わって排気ガスが新たな通路を流れるために、ススな
どが分散した状態で捕集されるものと考えられる。

【００８６】以上説明したように、本実施例のパティキ
ュレートフィルタ１００は、捕集した排気ガス中の含炭
素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを、特別な操作を行
うことなく自然に燃焼させることができる。尚、本実施
例のパティキュレートフィルタ１００では、排気ガス中
の含炭素浮遊微粒子などを金属不織布１０６を用いて捕
集しているが、金属製の不織布に限らず、例えばコーデ
ィエライト製のハニカムフィルタのようなセッラミック
スフィルタなどを用いても、同等の細孔径分布を有する
フィルタであれば、本実施例のフィルタと同様の自然再
生機能を発揮するものと考えられる。

【００８７】本実施例のディーゼルエンジン１０には、
前述したＮＯｘ触媒２００の上流側に、このようなパテ
ィキュレートフィルタ１００が設けられており、排気ガ
ス中に含まれるススなどの含炭素浮遊微粒子を浄化する
ことができる。このため、ＮＯｘ触媒２００には、スス
などの微粒子が多量に含まれた排気ガスが流入すること
がないので、炭素被毒などの発生を回避することができ
る。また、炭素被毒には到らずとも触媒表面がススなど
で覆われれば、それにつれて触媒性能の低下が懸念され
るが、本実施例のディーゼルエンジン１０では、上流側
に設けられたパティキュレートフィルタ１００でススな
どを浄化するために、下流側のＮＯｘ触媒２００の表面
を常に比較的清浄な状態に保つことができ、触媒性能を
充分に発揮させることが可能となっている。

【００８８】加えて、前述したように、下流側に設けら
れたＮＯｘ触媒２００自体も、ススなどの含炭素浮遊微
粒子を浄化する機能を有している。従って、本実施例の
ディーゼルエンジン１０のように、パティキュレートフ
ィルタ１００とＮＯｘ触媒２００とを組み合わせて使用
することによって、互いの機能を補完し合いながら、排
気ガス中の有害物質を効率よく浄化することも可能とな
る。すなわち、前述したように、パティキュレートフィ
ルタ１００はススなどの含炭素浮流微粒子を分散した状
態で捕集することによって、捕集した微粒子を自然に燃
焼させることが可能である。もっとも、ススなどの微粒
子を分散した状態で捕集することと、高い効率で捕集す
ることとを両立させることは必ずしも容易ではなく、捕
集効率を向上させようとすると分散性の低下を招き、逆
に、分散性を向上させようとすると捕集効率の低下を招
き易い。従って、フィルタに使用される不織布は、必要
な浄化効率の値に応じて、試行錯誤的に最適な諸元を選
定しなければならない場合も多い。本実施例のディーゼ
ルエンジン１０のように、ススなどの浄化機能を有する
ＮＯｘ触媒２００が、パティキュレートフィルタ１００
の下流側に設けられているので、それだけ含炭素浮遊微
粒子を効率よく浄化することができ、パティキュレート
フィルタ１００の有する自然再生機能が完全に発揮され
るような諸元のフィルタを、容易に選択することが可能
となる。

【００８９】また、前述したようにＮＯｘ触媒２００で
排気ガス中の有害物質を浄化するためには、触媒に流入
する排気ガス空燃比をリーン条件、ストイキオ（あるい
はリッチ）条件とに適切に切り換えてやる必要がある。
本実施例のパティキュレートフィルタ１００は自然再生
機能を有しており、フィルタが目詰まりすることがない
ので、エンジンの制御状態を変更すると、その影響がＮ
Ｏｘ触媒２００に流入する排気ガス空燃比に迅速に反映
される。このため、排気ガス空燃比を適切に切り換える
ことが可能となり、ＮＯｘ触媒２００で有害物質を効率
よく浄化することができる。もちろん、本実施例のディ
ーゼルエンジン１０では、パティキュレートフィルタ１
００の下流側に設けられたＮＯｘ触媒２００は、ススな
どの浄化機能を有しているので、前述したように、パテ
ィキュレートフィルタ１００は自然再生機能が完全に発
揮される諸元のフィルタが選択されており、その分だ
け、ＮＯｘ触媒２００に流入する排気ガス空燃比を迅速
に切り換えることが可能である。

【００９０】本実施例のディーゼルエンジン１０では、
前述したように低温燃焼を行うことが可能であり、その
ため以下に説明するように、種々の理由からパティキュ
レートフィルタ１００およびＮＯｘ触媒２００の機能を
更に引き出すことが可能となっている。

【００９１】先ず、本実施例のディーゼルエンジンは、
低負荷時には低温燃焼を行うので、ススなどの含炭素浮
遊微粒子やＮＯｘをほとんど排出することがない。いわ
ゆるアイドリング運転などの極めて低負荷の条件では、
排気ガス温度が低いために、長い間ディーゼルエンジン
を運転していると、パティキュレートフィルタ１００や
ＮＯｘ触媒２００の温度が次第に低下していく。パティ
キュレートフィルタ１００の温度が、排気ガス中の炭化
水素系化合物の酸化も困難なほどに低下すれば、パティ
キュレートフィルタ１００の自然再生機能が阻害される
ことがある。また、ＮＯｘ触媒２００の温度がＮＯｘを
酸化させるのも困難なほどに低下すれば、ＮＯｘ触媒２
００の機能も阻害されることがある。

【００９２】本実施例のディーゼルエンジン１０では、
低負荷運転条件では低温燃焼を行うので、排気ガス中に
はススなどの含炭素浮遊微粒子がほとんど含まれておら
ず、従って、たとえパティキュレートフィルタ１００の
自然再生機能が低下していたとしてもフィルタが目詰ま
りしたり、あるいはＮＯｘ触媒２００の表面がススで覆
われて触媒機能が低下してしまうおそれがない。もちろ
ん、パティキュレートフィルタ１００やＮＯｘ触媒２０
０の機能が低下していれば、排気ガス中の含炭素浮遊微
粒子やＮＯｘを浄化することは困難となるが、低温燃焼
中の排気ガスにはこれら有害物質はほとんど含まれてい
ないので、実際には含炭素浮遊微粒子やＮＯｘなどが多
量に排出されることはない。

【００９３】上述のように低温燃焼を行えば、極低負荷
の条件で長時間、運転するような場合でも、含炭素浮遊
微粒子やＮＯｘなどが排出されることを回避することが
可能であり、また、パティキュレートフィルタ１００の
目詰まりやＮＯｘ触媒２００の性能低下を回避すること
が可能である。

【００９４】また、本実施例のディーゼルエンジン１０
が低温燃焼を行っているために、より一般的な運転条件
においても、パティキュレートフィルタ１００やＮＯｘ
触媒２００の機能を充分に引き出して、排気ガス中の有
害物質を効果的に浄化することが可能である。すなわ
ち、前述したようにパティキュレートフィルタ１００の
自然再生機能は、排気ガス中の炭化水素系化合物を捕集
し、緩やかな酸化反応を生じさせることによって発現し
ているものと考えられる。一方、図７を用いて前述した
ように、低温燃焼を行うと排気ガス中のＨＣ、すなわち
炭化水素の濃度が増大する。このことから、低温燃焼を
行ってパティキュレートフィルタ１００に炭化水素を供
給してやることにより、パティキュレートフィルタ１０
０の自然再生機能が促進されるものと考えられる。自然
再生機能が促進されれば、フィルタに堆積したススなど
の含炭素浮遊微粒子をより完全に燃焼させることができ
る。その結果、下流側に設けられたＮＯｘ触媒に流入す
る排気ガス空燃比を迅速に切り換えることができ、延い
ては、ＮＯｘ触媒２００の性能を充分に引き出して排気
ガス中の有害物質を効率よく浄化することが可能とな
る。

【００９５】更に加えて、エンジンの運転条件が低温燃
焼を行う条件である場合、前述したように、ＥＧＲ率を
増やすことで排気ガス空燃比をストイキオ（あるいはリ
ッチ）にすることも可能である。このように、排気ガス
空燃比をストイキオ（あるいはリッチ）とするためにＥ
ＧＲ率を増やすと、図７に示すように、ＨＣ濃度ととも
にＣＯ濃度も増加する。ＨＣもＣＯもいずれも還元物質
であり、触媒上の硝酸塩（ＮＯ3 ）に働きかけて硝酸塩
ＮＯ3 を窒素と活性酸素とに分解するが（図１４参
照）、次の点で還元物質としてはＨＣよりもＣＯの方が
優れている。すなわち、ＣＯはＨＣよりも反応性に富ん
でいるため、硝酸塩ＮＯ3 をＨＣよりも効率よく分解す
ることができる。また、ＨＣなどと違ってＣＯはフィル
タなどに捕捉されないので、下流のＮＯｘ触媒に迅速に
到達することができる。従って、ＨＣとともにＣＯを供
給することによって、ＮＯｘ触媒２００の触媒性能をよ
り効果的に引き出すことが可能となる。

【００９６】Ｃ．機関出力補正処理：以上に詳細に説明
したように、本実施例のディーゼルエンジン１０は、低
負荷の運転条件では低温燃焼を行うとともに、自然再生
機能を有するパティキュレートフィルタ１００と、ＮＯ
ｘ触媒２００とが設けられている。このため、これらの
相乗効果によって、エンジンのあらゆる運転条件におい
て、排気ガス中の有害物質を効率よく浄化することが可
能となっている。前述したように、パティキュレートフ
ィルタ１００は、自然再生機能を有しているために、ス
スなどの微粒子がある程度捕集されると自然に燃焼する
ので、フィルタが目詰まりすることはない。とは言え、
捕集したススの燃焼開始が何らかの原因で遅れることは
生じ得る。図１に示すように、パティキュレートフィル
タ１００をエンジンに近づけて搭載する場合には、スペ
ース上の制約からフィルタの容積を十分に確保すること
は困難であり、従って、燃焼開始のタイミングが遅れる
と、一時的にフィルタ前後の差圧が増大する場合が生じ
得る。フィルタ前後の差圧が増大すると、エンジン出力
の低下を来すので、本実施例のディーゼルエンジン１０
では、以下に説明するような機関出力補正処理を行うこ
とで、これを補正している。

【００９７】Ｃ−１．処理内容：図１８は、本実施例の
ディーゼルエンジン１０が行う機関出力補正処理の流れ
を示すフローチャートである。かかる処理は、エンジン
制御用プログラムのメインルーチン中に組み込まれてお
り、メインルーチンが１回まわる度に実施される。

【００９８】機関出力補正処理を開始すると、先ず初め
にパティキュレートフィルタ１００の前後差圧を検出す
る（ステップＳ１００）。図１を用いて説明したよう
に、パティキュレートフィルタ１００の上流側と下流側
には、それぞれに圧力センサ６４，６６が設けられてお
り、エンジン制御用ＥＣＵ３０は、かかる圧力センサの
出力を読み込んで、フィルタ前後の差圧を算出してい
る。尚、ここでは、圧力センサを用いて検出したフィル
タ前後での排気圧力から差圧を算出するものとして説明
するが、もちろん他の方法を適用しても構わない。例え
ば、ＥＧＲ通路６０を流れる排気ガスの流量を検出し、
ＥＧＲ弁６２の開度と排気ガス流量との関係からフィル
タ前後の差圧を算出してもよい。こうすれば、圧力セン
サを設けることなくフィルタの前後差圧を検出すること
ができる。

【００９９】次いで、フィルタ前後の差圧に基づいて、
機関出力の補正が必要か否かを判断する（ステップＳ１
０２）。かかる判断は、エンジンの運転条件に応じて予
め設定しておいた閾値と、先に検出したフィルタ前後差
圧との大小関係を比較することによって行う。閾値の値
は、エンジンの回転速度と要求トルクとをパラメータと
するマップの形式で、エンジン制御用ＥＣＵ３０内のＲ
ＯＭに記憶されている。

【０１００】検出したフィルタ前後の差圧が閾値よりも
小さい場合には、出力の補正は不要と判断して（ステッ
プＳ１０２：ｎｏ）、機関出力補正処理を終了し、エン
ジン制御のメインルーチンに復帰する。フィルタ前後の
差圧が閾値よりも大きい場合には、機関出力の補正が必
要と判断して（ステップＳ１０２：ｙｅｓ）、補正量の
算出を開始する（ステップＳ１０４）。

【０１０１】本実施例では、燃料噴射量を増量すること
によって機関出力を補正している。補正量、すなわち燃
料噴射量の増量値ｄＱは、フィルタの前後差圧に対して
予め設定されている。図１９は、フィルタの前後差圧に
対して燃料噴射量の適切な増量値ｄＱが設定されてる様
子を概念的に示す説明図である。エンジン制御用ＥＣＵ
３０内のＲＯＭには、このようなデータがマップの形式
で記憶されており、かかるマップを参照することによっ
て、フィルタ前後差圧に応じて燃料噴射量を適切に増量
させることができる。

【０１０２】尚、本実施例では、燃料噴射量を補正する
ものとして説明したが、もちろん、機関出力を補正する
手段は、燃料噴射量の補正に限らず、例えば燃料噴射時
期を補正しても良い。燃料噴射時期を進角させれば、そ
れに応じて機関出力を増加することができる。あるい
は、過給器２０の過給圧を変更してもよい。すなわち、
図１に示したように、本実施例で用いられている過給器
２０は、アクチュエータ７０を動かすことで、タービン
２１に排気ガスが流入する部分の開口面積を変更するこ
とが可能となっており、開口面積を絞ればタービン２１
に流入する排気ガスの流速が増大するので、過給圧を上
げることができる。燃料噴射時期あるいはタービンの開
口面積を補正する場合は、燃料噴射量の増量値ｄＱに変
えて、噴射時期の進角値ｄＴあるいはタービン開口面積
Ａなどの値をマップに記憶しておけばよい。図１９に
は、燃料噴射量の増量値ｄＱに加えて、噴射時期の進角
値ｄＴ、およびタービン開口面積Ａの値が、フィルタ前
後差圧に対して設定されている様子をあわせて表示して
いる。もちろん、これら値を記憶しておき、燃料噴射
量、噴射時期、タービン開口面積の補正を組み合わせる
こととしても構わない。

【０１０３】こうして補正量を算出したら、算出した補
正量をエンジン制御に反映させて出力の補正を行い（ス
テップＳ１０６）、機関出力補正処理を終了して、エン
ジン制御プログラムのメインルーチンに復帰する。エン
ジン制御プログラムのメインルーチンでは、こうして補
正された値を用いてエンジンを制御することで、フィル
タの前後差圧が一時的に増大した場合でも、エンジン出
力の低下を補うことが可能となっている。

【０１０４】以上、各種の実施例について説明してきた
が、本発明は上記すべての実施例に限られるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実
施することができる。

【０１０５】例えば、上述した各実施例では、ディーゼ
ルエンジン１０には過給器２０が設けられているものと
して説明したが、上述の各種実施例は、過給器を備えな
いディーゼルエンジンに対しても同様に適用可能である
ことはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の排気ガス浄化装置を適用したディー
ゼルエンジンの構成を示す説明図である。

【図２】本実施例のパティキュレートフィルタの外観形
状および構造を示す説明図である。

【図３】本実施例のパティキュレートフィルタで排気ガ
ス中の微粒子が捕集される様子を概念的に示す説明図で
ある。

【図４】本実施例のパティキュレートフィルタで用いら
れる不織布の諸元を例示した説明図である。

【図５】本実施例の変形例のパティキュレートフィルタ
で排気ガス中の微粒子が捕集される様子を概念的に示す
説明図である。

【図６】本実施例の排気ガス浄化装置において用いられ
るＮＯｘ触媒の構造を示す説明図である。

【図７】本実施例のディーゼルエンジンで採用されてい
る低温燃焼と呼ばれる特殊な燃焼方式の原理を示す説明
図である。

【図８】燃焼室内の燃焼圧力の変化を概念的に示す説明
図である。

【図９】燃料中に含まれる炭化水素系化合物の構造を模
式的に例示した説明図である。

【図１０】吸気側に還流する排気ガスの温度と、低温燃
焼が成立する条件との関係を示す説明図である。

【図１１】エンジンの運転条件に応じて低温燃焼と通常
の燃焼とを切り換える様子を示す説明図である。

【図１２】低温燃焼時に参照される目標空燃比のマップ
を例示する説明図である。

【図１３】通常の燃焼時に参照される目標空燃比のマッ
プを例示する説明図である。

【図１４】本実施例の排気ガス浄化装置に用いられてい
るＮＯｘ触媒が排気ガス中の有害物質を浄化する原理を
概念的に示す説明図である。

【図１５】ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる
浮遊微粒子や炭化水素系化合物の組成を示す説明図であ
る。

【図１６】本実施例の排気ガス浄化装置の上流側に設け
られたパティキュレートフィルタが有する自然再生機能
を概念的に示す説明図である。

【図１７】上流側に設けられたパティキュレートフィル
タが、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を分散して捕集す
る様子を概念的に示す説明図である。

【図１８】本実施例の変形例のディーゼルエンジンが、
パティキュレートフィルタの前後差圧を検出して機関出
力を補正する処理の流れを示すフローチャートである。

【図１９】機関出力補正処理中でフィルタ前後差圧に基
づいて各種の補正量を決定する様子を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１０…ディーゼルエンジン１２…吸気管１４…燃料噴射弁１６…排気管１８…燃料供給ポンプ２０…過給器２１…タービン２２…コンプレッサ２３…シャフト２４…インタークーラ２６…エアクリーナ２８…電動スロットル弁３０…エンジン制御用ＥＣＵ６０…ＥＧＲ通路６２…ＥＧＲ弁６４，６６…圧力センサ７０…アクチュエータ７２…空燃比センサ１００…パティキュレートフィルタ１０２…ケース１０４…エレメント１０６…不織布１０８…波板１１０…中心棒１１２…封止板１１３…端部１１４…燃料噴射弁２００…ＮＯｘ触媒２０２…通路２０３…ＮＯｘ蓄積剤２０４…貴金属触媒２０６…隔壁表面

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）Ｆ０１Ｎ 3/20 Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｓ３Ｇ３０１ 3/24 Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｄ４Ｄ０４８ 41/02 ３８０ＥＦ０２Ｄ 21/08 ３０１ 41/04 ３３０Ｍ 41/02 ３８０３５５ 41/04 ３３０３６０Ｃ３５５ 41/38 Ｂ３６０ 43/00 ３０１Ｈ 41/38 ３０１Ｋ 43/00 ３０１３０１Ｎ３０１ＴＦ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｄ５７０ＪＦ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢ１０３Ｂ１０３Ｃ (72)発明者加藤善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)発明者杉山敏久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)発明者辺田良光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)発明者白谷和彦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） 3G062 AA01 AA05 BA02 BA04 BA06 CA07 CA08 DA01 ED08 FA05 FA13 GA01 GA04 GA05 GA06 GA09 GA14 GA17 GA21 GA22 3G084 BA05 BA09 BA13 BA20 DA10 EC07 FA10 FA27 FA29 FA33 3G090 AA03 BA01 DA04 EA02 EA06 EA07 3G091 AA10 AA11 AA18 AA24 AB02 AB05 AB09 AB10 AB13 BA07 BA14 BA15 CB02 CB03 DB10 EA01 EA03 EA07 EA17 EA34 FA13 FA14 FB10 FB11 FB12 GA06 GB01X GB02W GB03W GB04W GB06W GB17X HA16 HA23 HA36 HB05 3G092 AA02 AA06 AA17 BA07 BB01 DC01 DC09 EA05 EA06 EA07 EC10 FA17 FA18 FA37 GA05 GA06 HA06X HA06Z HB01X HD01Z HD05X HD05Z HD07X HD07Z HE01Z HF08Z 3G301 HA02 HA04 JA24 JA25 JA26 KA08 KA09 LA01 LB11 MA01 MA11 NC04 NE13 NE14 NE15 PA11A PA11Z PD02A PD02Z PD11Z PD14A PD14Z PD15A PD15Z PE01Z 4D048 AA06 AA14 AA18 AB01 AB03 AB05 BA01Y BA02Y BA03X BA10X BA14X BA15X BA18Y BA30X BA31Y BA32Y BA33Y BA36Y BA37Y BA38Y BA41X BB02 BB14 CC27 CC63 CD05 DA01 DA02 DA03 DA06 DA08 DA13 DA20 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路から吸気通路に還流
させる排気ガス量を増加させたときに、該内燃機関での
燃焼による含炭素浮遊微粒子の発生量が最大となる境界
排気ガス量よりも多量の排気ガスを還流させる第１の運
転条件と、前記排気ガスの還流量が前記境界排気ガス量よりも少な
い第２の運転条件とに切り換えて運転可能な内燃機関に
適用されて、該内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質
を浄化する排気ガス浄化装置であって、前記排気通路に設けられて、前記排気ガスの空燃比がリ
ーンの場合には該排気ガス中の窒素酸化物を蓄積すると
ともに、該排気ガスの空燃比がリッチあるいはストイキ
オの場合には該蓄積した窒素酸化物を窒素に分解して放
出するＮＯｘ蓄積手段と、前記内燃機関が吸入する空気量あるいは該内燃機関に供
給する燃料量の少なくとも一方を制御することによっ
て、前記排気ガスの空燃比を所定期間だけリッチあるい
はストイキオに制御する空燃比制御手段と、前記ＮＯｘ蓄積手段より上流側の排気通路に設けられ
て、前記排気ガス中の含炭素浮遊微粒子および炭化水素
系化合物を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して
捕集することにより、流入時の温度が該含炭素浮遊微粒
子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用いて、該捕
集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼さ
せる捕集フィルタとを備える排気ガス浄化装置。
【請求項２】請求項１記載の排気ガス浄化装置であっ
て、前記空燃比制御手段は、前記排気ガスの還流量を制御す
ることによって、前記内燃機関が吸入する空気量を制御
する手段である排気ガス浄化装置。
【請求項３】請求項１記載の排気ガス浄化装置であっ
て、前記空燃比制御手段は、前記内燃機関の膨張行程あるい
は排気行程中に燃料を供給する手段である排気ガス浄化
装置。
【請求項４】請求項１記載の排気ガス浄化装置であっ
て、前記ＮＯｘ蓄積手段は、前記排気ガスの空燃比がリーン
の場合には前記窒素酸化物とともに該排気ガス中の酸素
を蓄積するとともに、該排気ガスの空燃比がリッチある
いはストイキオの場合には該蓄積した酸素を活性酸素と
して放出する手段である排気ガス浄化装置。
【請求項５】請求項４記載の排気ガス浄化装置であっ
て、前記ＮＯｘ蓄積手段は、白金族に属する貴金属が担持さ
れた触媒である排気ガス浄化装置。
【請求項６】請求項４記載の排気ガス浄化装置であっ
て、前記ＮＯｘ蓄積手段は、アルカリ金属、アルカリ土類金
属、希土類、遷移金属の少なくとも１つが担持された触
媒である排気ガス浄化装置。
【請求項７】請求項１記載の排気ガス浄化装置であっ
て、前記捕集フィルタにおける前記含炭素浮遊微粒子の捕集
量を検出する捕集量検出手段と、前記検出した捕集量に応じて、前記内燃機関の出力を補
正する出力補正手段とを備える排気ガス浄化装置。
【請求項８】内燃機関の排気通路から吸気通路に還流
させる排気ガス量を増加させたときに、該内燃機関での
燃焼による含炭素浮遊微粒子の発生量が最大となる境界
排気ガス量よりも多量の排気ガスを還流させる第１の運
転条件と、前記排気ガスの還流量が前記境界排気ガス量よりも少な
い第２の運転条件とに切り換えて運転可能な内燃機関に
適用し、該内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質を浄
化する排気ガス浄化方法であって、前記内燃機関が吸入する空気量あるいは該内燃機関に供
給する燃料量の少なくとも一方を制御することによっ
て、前記排気ガスの空燃比を所定期間だけリッチあるい
はストイキオに制御し、前記排気通路に設けたＮＯｘ蓄積部材によって、前記排
気ガスの空燃比がリーンの条件では該排気ガス中の窒素
酸化物を蓄積するとともに、該排気ガスの空燃比がリッ
チあるいはストイキオの条件では該蓄積した窒素酸化物
を窒素に分解して放出し、前記ＮＯｘ蓄積部材より上流側の排気通路に設けた捕集
フィルタで、前記排気ガス中の含炭素浮遊微粒子および
炭化水素系化合物を、該排気ガス中の酸素と接触可能に
分散して捕集することにより、流入時の温度が該含炭素
浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用い
て、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子と
を燃焼させる排気ガスの浄化方法。