JP2003049627A - 排気浄化装置 - Google Patents

排気浄化装置

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JP2003049627A JP2001241116A JP2001241116A JP2003049627A JP 2003049627 A JP2003049627 A JP 2003049627A JP 2001241116 A JP2001241116 A JP 2001241116A JP 2001241116 A JP2001241116 A JP 2001241116A JP 2003049627 A JP2003049627 A JP 2003049627A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パティキュレートフィルタの圧損を低く維持
する。 【解決手段】 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22を具備する。パティキュレ
ートフィルタが通路50,51を画成する隔壁54を有
する。隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包す
る多孔質の材料から形成されている。通路の端部開口が
隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが元の通路の流路断面
積よりも狭い流路断面積を有する小孔55,56となる
ように隔壁の端部分が寄せ集められてこの端部分同志が
部分的に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は排気浄化装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】内燃機関から排出される排気ガス中の微
粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタが公知
である。こうしたパティキュレートフィルタとしては多
孔質の材料からハニカム構造体を形成し、このハニカム
構造体の複数の通路(以下、フィルタ通路と称す)のう
ち幾つかのフィルタ通路をその上流端にて栓で塞ぐと共
に残りのフィルタ通路をその下流端にて栓で塞ぎ、パテ
ィキュレートフィルタに流入した排気ガスがフィルタ通
路を形成している壁(以下、フィルタ隔壁と称す)を必
ず通ってパティキュレートフィルタから流出するように
したものが知られている。このタイプのパティキュレー
トフィルタが特開平9−94434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】このタイプのパティキ
ュレートフィルタによれば排気ガスは必ずフィルタ隔壁
を通り、その後にパティキュレートフィルタから流出す
るのでパティキュレートフィルタの微粒子捕集率は比較
的高い。しかしながらパティキュレートフィルタ本体と
は別体の栓を用いてフィルタ通路を閉塞する必要があ
り、したがって生産性が悪く、コストが高い。また図3
(A)に示すように排気ガスの一部が栓に衝突するので
排気ガスはフィルタ通路内に流入しづらい。さらに栓近
傍からフィルタ通路に流入する排気ガスは該フィルタ通
路の入口近傍で乱流となるのでこれによっても排気ガス
はフィルタ通路内に流入しづらい。さらに図3(B)に
示すようにフィルタ通路の出口近傍においても乱流が形
成され、排気ガスが流出しづらい。こうしたことからパ
ティキュレートフィルタの圧損が高い。そこで本発明の
目的はパティキュレートフィルタの圧損を低く維持する
ことにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の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具備し、該パティキュ
レートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が
予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材
料から形成されている排気浄化装置において、上記通路
の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の
流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるよ
うに隔壁の端部分が寄せ集められて該端部分同志が部分
的に接続されている。
【0005】2番目の発明では1番目の発明において、
複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路にお
いては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集めら
れて該下流端部分同志が部分的に接続されて該通路の下
流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を
画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部
分同志が部分的に接続されて上流端開口が小孔とされて
いる。
【0006】3番目の発明では1番目の発明において、
複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路にお
いては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集めら
れて該下流端部分同志が部分的に接続されて該通路の下
流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を
画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部
分同志が接続されて該上流端開口が閉塞されている。
【0007】4番目の発明では1番目の発明において、
複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路にお
いては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集めら
れて該上流端部分同志が部分的に接続されて該通路の上
流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を
画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部
分同志が接続されて該下流端開口が閉塞されている。
【0008】5番目の発明では2〜4番目の発明におい
て、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に微粒子を酸
化することができる酸化物質が担持されている。
【0009】6番目の発明では2〜4番目の発明におい
て、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担
持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に
担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められ
た下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多
い。
【0010】7番目の発明では5または6番目の発明に
おいて、上記隔壁の寄せ集められた端部分の壁面のうち
上流側の壁面に担持された酸化物質の量が下流側の壁面
に担持された酸化物質の量よりも多い。
【0011】8番目の発明では5〜7番目の発明におい
て、パティキュレートフィルタの温度を上昇するための
処理を実行するように構成されている。
【0012】9番目の発明では5または6番目の発明に
おいて、周囲に過剰酸素が存在するとNOXを取り込ん
で該NOXを保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保
持しているNOXを放出するNOX吸放出剤をパティキュ
レートフィルタ上に担持する。
【0013】10番目の発明では5または6番目の発明
において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を
担持した。
【0014】11番目の発明では10番目の発明におい
て、上記酸化物質が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
と保持している酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素
放出剤であり、該活性酸素放出剤が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するようにした。
【0015】12番目の発明では11番目の発明におい
て、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。
【0016】13番目の発明では12番目の発明におい
て、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。
【0017】14番目の発明では13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。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の第
1実施例を説明する。図1(A)はパティキュレートフ
ィルタの端面図であり、図1(B)はパティキュレート
フィルタの縦断面図である。図1(A)および図1
(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。
【0019】これら排気流通路はその下流端においてテ
ーパ壁(以下、下流側テーパ壁と称す)52によりその
流路断面積がその他の領域の排気流通路の流路断面積よ
りも小さくされた排気ガス流入通路50と、その上流端
においてテーパ壁(以下、上流側テーパ壁と称す)53
によりその流路断面積がその他の領域の排気流通路の流
路断面積よりも小さくされた排気ガス流出通路51とに
より構成される。
【0020】詳しくは後に説明するが下流側テーパ壁5
2はパティキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路
50を画成する隔壁の下流端隔壁部分を寄せ集めてその
一部分同志が接続されることにより形成されている。一
方、上流側テーパ壁53はパティキュレートフィルタ2
2の排気ガス流出通路51を画成する隔壁の上流端隔壁
部分を寄せ集めてその一部同志が接続されることにより
形成されている。
【0021】したがって排気流通路のうち一部の排気流
通路50はその下流端にて下流側テーパ壁52によりそ
の流路断面積よりも小さい開口面積を有する小孔55を
有し、残りの排気通路51はその上流端にて上流側テー
パ壁53によりその流路断面積よりも小さい開口面積を
有する小孔56を有する。
【0022】第1実施例ではこれら排気ガス流入通路5
0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5
0および排気ガス流出通路51は各排気ガス流入通路5
0が4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4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。すなわち隣接する2つ
の排気流通路のうち一方の排気流通路50はその下流端
にて下流側テーパ壁52によりその流路断面積が小さく
され、他方の排気流通路51はその上流端にて上流側テ
ーパ壁53によりその流路断面積が小さくされている。
【0023】パティキュレートフィルタ22は予め定め
られた平均径の細孔を内包する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1(B)にお
いて矢印で示したように周囲の隔壁54の細孔を通って
隣接する排気ガス流出通路51内に流入する。もちろん
テーパ壁52,53も隔壁54と同じ材料から形成され
ているので排気ガスは図2(A)に示したように上流側
テーパ壁53の細孔を通って排気ガス流出通路51内に
流入することができ、また図2(B)に示したように下
流側テーパ壁52の細孔を通って流出することができ
る。
【0024】また排気ガスは上流側テーパ壁53の先端
に形成された小孔56を介しても排気ガス流出通路51
内に流入することができ、下流側テーパ壁52の先端の
小孔55を介しても流出することができる。
【0025】なお本発明においてテーパ壁52,53の
先端に形成された小孔55,56の大きさはテーパ壁5
2,53の細孔径よりも大きい。また小孔56,55の
大きさはパティキュレートフィルタ22に単位時間当た
りに流入する微粒子の量とパティキュレートフィルタ2
2の微粒子捕集率とから算出されるパティキュレートフ
ィルタ22から流出する微粒子の量が許容量以下となる
ように決定される。云い換えれば本発明によれば目標と
する微粒子捕集率に応じて小孔55,56の大きさを変
えることによりパティキュレートフィルタ22の微粒子
捕集率と圧損の値とを容易に変更することができる。
【0026】ところで上流側テーパ壁53は排気ガス流
出通路51の流路断面積が徐々に小さくなるように上流
へ向かって円錐状に狭まる形状をしている。したがって
4つの上流側テーパ壁53により囲まれて形成される排
気ガス流入通路50の上流端は排気ガス流入通路50の
流路断面積が徐々に大きくなるように上流へ向かって円
錐状に広がる形状をしている。これによれば図3(A)
に示したように排気ガス流入通路の入口開口が構成され
ている場合に比べて排気ガスはパティキュレートフィル
タに流入しやすい。
【0027】すなわち図3(A)に示したパティキュレ
ートフィルタでは排気ガス流出通路の上流端が栓72に
より閉塞される。この場合、73で示したように排気ガ
スの一部が栓72に衝突するのでパティキュレートフィ
ルタの圧損が大きくなる。また栓72近傍から排気ガス
流入通路に流入する排気ガスは74で示したように入口
近傍にて乱流となるのでこれによっても排気ガスは排気
ガス流入通路内に流入しづらくなる。このためパティキ
ュレートフィルタの圧損がさらに大きくなる。
【0028】一方、本発明のパティキュレートフィルタ
22では図2(A)に示したように排気ガスは乱流とな
ることなく排気ガス流入通路50に流入することができ
る。このため本発明によれば排気ガスはパティキュレー
トフィルタ22に流入しやすい。したがってパティキュ
レートフィルタ22の圧損は低い。
【0029】さらに図3に示したパティキュレートフィ
ルタでは排気ガス中の微粒子は栓72の上流端面および
その近傍の隔壁の表面に多く堆積しやすい。これは排気
ガスが栓72に衝突し、しかも栓72近傍にて排気ガス
が乱流となることに起因する。ところが本発明のパティ
キュレートフィルタ22では上流側テーパ壁53が円錐
状であるので排気ガスが強く衝突する上流端面が存在せ
ず、しかも上流端面近傍にて排気ガスは乱流とはならな
い。したがって本発明によれば微粒子がパティキュレー
トフィルタ22の上流端の領域に多く堆積することはな
く、パティキュレートフィルタ22の圧損が高くなるこ
とはない。
【0030】一方、下流側テーパ壁52は排気ガス流入
通路50の流路断面積が徐々に小さくなるように下流へ
向かって円錐状に狭まる形状をしている。したがって4
つの下流側テーパ壁52により囲まれて形成される排気
ガス流出通路51の下流端は排気ガス流出通路51の流
路断面積が徐々に大きくなるように下流へ向かって円錐
状に広がる形状をしている。これによれば図3(B)に
示したように排気ガス流出通路の出口開口が構成されて
いる場合に比べて排気ガスはパティキュレートフィルタ
から流出しやすい。
【0031】すなわち図3(B)に示したパティキュレ
ートフィルタでは排気ガス流入通路の下流端が栓70に
より閉塞され、排気ガス流出通路はその出口開口まで直
線的に延びる。この場合、排気ガス流出通路の出口開口
から流出した排気ガスの一部が栓70の下流端面に沿っ
て流れ、したがって排気ガス流出通路の出口開口近傍に
乱流71が形成される。このように乱流が形成されると
排気ガスは排気ガス流出通路から流出しづらくなる。
【0032】一方、本発明のパティキュレートフィルタ
22では図2(B)に示したように排気ガスは乱流とな
ることなく排気ガス流出通路51の端部の出口開口から
流出することができる。このため本発明によれば排気ガ
スはパティキュレートフィルタ22から比較的流出しや
すい。したがってこれによってもパティキュレートフィ
ルタ22の圧損が低い値とされる。
【0033】なおテーパ壁はパティキュレートフィルタ
22の外側に向かって徐々に狭くなる形状であれば円錐
状以外の形状、例えば四角錐状であってもよい。
【0034】ところでパティキュレートフィルタの圧損
は潜在的に低いほど好ましい。また例えばパティキュレ
ートフィルタが内燃機関に搭載されている場合、内燃機
関の運転制御はパティキュレートフィルタの潜在的な圧
損を考慮して設計されるので内燃機関の運転中において
パティキュレートフィルタの圧損が高くなって潜在的に
達成可能な値からずれると内燃機関全体としてはその性
能が低下してしまう。
【0035】このようにパティキュレートフィルタにお
いてはその圧損が潜在的に低く、さらにその使用中にお
いてその圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な
値から大きくずれないようにすることがその性能上は重
要である。
【0036】そこで本発明によれば上述したようにパテ
ィキュレートフィルタの排気流通路の上流端領域を画成
する隔壁をテーパ状の壁とすることにより排気ガスが排
気流通路に流入するときに乱流となることを防止し、こ
れによりパティキュレートフィルタ22の圧損が潜在的
に低くなるようにしている。
【0037】また上述したようにパティキュレートフィ
ルタ22の排気流通路の上流端領域を画成する隔壁がテ
ーパ状の壁とされていることにより当該テーパ状の壁の
壁面には微粒子は堆積しづらくなる。すなわちパティキ
ュレートフィルタ22の使用中においてテーパ状の壁の
壁面上に微粒子が堆積して排気流通路に流入する排気ガ
ス流が乱流となってしまうことが抑制されている。これ
により本発明によればパティキュレートフィルタ22の
使用中において圧損が高くなったとしても潜在的に達成
可能な値から大きくずれることが抑制される。
【0038】ところで排気ガス中には微粒子以外にも燃
料が燃焼した後に残る無機質や不燃性残留物(以下、ア
ッシュと称す)が含まれている。したがってパティキュ
レートフィルタ22にはこうしたアッシュも流入し、排
気ガス流入通路50内にアッシュが堆積する。
【0039】排気ガス流入通路50内に堆積するアッシ
ュの量(以下、堆積アッシュ量と称す)が多くなるとパ
ティキュレートフィルタ22の圧損が上昇する。上述し
たようにパティキュレートフィルタ22においてはその
使用中において圧損が高くなったとしても潜在的に達成
可能な値から大きくずれないようにすることがその性能
上は重要である。そしてこうするためには堆積アッシュ
量を少なくすることが必要であり、これに加えて排気ガ
ス流入通路50内に堆積したアッシュを排除することが
できれば好ましい。
【0040】本発明のパティキュレートフィルタ22で
は下流側テーパ壁52に小孔55が形成されているので
排気ガス流入通路50に流入したアッシュは小孔55を
介して流出することができる。このため排気ガス流入通
路50内にアッシュが堆積することが抑制されるのでパ
ティキュレートフィルタ22の圧損が高くなったとして
も潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制さ
れる。
【0041】また排気ガス流入通路50内に堆積してい
るアッシュの量が多くなると下流側テーパ壁52の小孔
55および上流側テーパ壁53の小孔56を介して流出
する排気ガスの量が多くなる。したがって排気ガス流入
通路50内に新たに堆積するアッシュの量が少なくなる
のでパティキュレートフィルタ22の圧損が高くなった
としても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが
抑制される。
【0042】さらに排気ガス流入通路50内に堆積して
いるアッシュや微粒子の量が多くなって排気ガス流入通
路50内の圧力が増大するとその圧力により排気ガス流
入通路50内に堆積しているアッシュが下流領域へと移
動せしめられ、最終的には小孔55から排出される。し
たがってパティキュレートフィルタ22の圧損が高くな
ったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれるこ
とが抑制される。また排気ガス流入通路50内に堆積し
ているアッシュが排気ガス流入通路50内の圧力により
パティキュレートフィルタ22から排出されるので本実
施例によればアッシュをパティキュレートフィルタ22
から排出するための特別な処理を実行する必要が少なく
なる。
【0043】さらに排気ガス流入通路50内に堆積して
いるアッシュや微粒子の量が多くなると排気ガスは隔壁
54を通過しづらくなり、したがって排気ガス流入通路
50内の圧力は高くなる。このとき下流側テーパ壁52
の小孔55および上流側テーパ壁53の小孔56から流
入する排気ガスの量が多くなる。したがって排気ガス流
入通路50内の圧力が高くなったとしてもパティキュレ
ートフィルタ22の圧損が潜在的に達成可能な値から大
きくずれることが抑制される。
【0044】またパティキュレートフィルタ22内に多
量の微粒子が堆積されるとこれら微粒子が一気に燃焼し
たときにその燃焼熱によりパティキュレートフィルタ2
2が溶損する可能性がある。しかしながら本発明によれ
ばパティキュレートフィルタ22内に多量の微粒子が堆
積されることはないのでパティキュレートフィルタ22
が微粒子の燃焼熱により溶損せしめられることが抑制さ
れる。
【0045】次にパティキュレートフィルタの製造方法
について簡単に説明する。始めにコージライトなどの多
孔質材料から図4に示したような円筒形のハニカム構造
体80が押出成形される。次に図5に示した型90がハ
ニカム構造体80の端面に押し付けられる。
【0046】図5(A)に示したように型90は円錐状
の複数の突起91を有する。図5(B)には1つの突起
91を示した。型90は所定の排気流通路それぞれに突
起91が挿入されるようにしてハニカム構造体80の端
面に押し付けられる。このとき所定の排気流通路を形成
する隔壁の端部分が寄せ集められて当該端部分同志が部
分的に接続され、テーパ壁と小孔とが形成される。
【0047】次いでハニカム構造体が乾燥せしめられ
る。次いでハニカム構造体が焼成せしめられる。こうし
てパティキュレートフィルタ22が形成される。
【0048】上述したようにパティキュレートフィルタ
22の排気流通路の端部は隔壁54と同じ多孔質材料に
て構成されたテーパ壁52,53によって狭くされてい
る。したがってパティキュレートフィルタ22の排気流
通路50,51の端部を狭くすることは上述したように
ハニカム構造体80の端面に型90を押し付けるという
極めて簡単な方法により達成される。
【0049】なお型90をハニカム構造体80の端面に
押し付ける工程はハニカム構造体が乾燥せしめられた後
に実行されてもよい。あるいはハニカム構造体80が焼
成された後にハニカム構造体80の端部分を軟化し、そ
の後、この軟化せしめられた端部分に型90を押し付け
るようにしてもよい。なおこの場合にはその後にハニカ
ム構造体80の端部分が再び焼成される。
【0050】ところで上述したように本発明のパティキ
ュレートフィルタ22においてはその使用中において上
流側テーパ壁53に微粒子は堆積しづらい。とはいえ上
流側テーパ壁53に微粒子が堆積することもありうる。
この場合、パティキュレートフィルタ22の使用中にお
いてその圧損が高くなってしまう。上述したようにパテ
ィキュレートフィルタ22においてはその使用中におい
て圧損が潜在的に達成可能な値から大きくずれないよう
にすることがその性能上は重要である。そしてパティキ
ュレートフィルタ22の圧損がその使用中において微粒
子の堆積により潜在的に達成可能な値から大きくずれな
いようにするためにはパティキュレートフィルタ22か
ら微粒子を排除する必要がある。
【0051】そこで本発明では上流側テーパ壁53に微
粒子を酸化除去することができる酸化物質を担持させ、
上流側テーパ壁53に堆積した微粒子を酸化除去するよ
うにする。これによれば上流側テーパ壁53に捕集され
た微粒子は継続的に酸化除去されるので上流側テーパ壁
53上に多量の微粒子が堆積することはない。したがっ
てパティキュレートフィルタ22の使用中において圧損
が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きく
ずれることが抑制される。
【0052】このように本発明によればパティキュレー
トフィルタ22の圧損を潜在的に低くするために排気ガ
ス流出通路51の上流端をテーパ状の多孔質の壁とする
という構成から特有に生じる問題、すなわちパティキュ
レートフィルタ使用中において圧損が達成可能な値から
大きくずれるという問題が回避される。
【0053】なお本実施例では酸化物質はパティキュレ
ートフィルタ22全体、すなわち上流側テーパ壁53の
みならず隔壁54および下流側テーパ壁52にも担持さ
れる。また酸化物質は上流側テーパ壁53、下流側テー
パ壁52、および隔壁54の壁面のみならずその内部の
細孔壁にも担持される。また本実施例では単位体積当た
りに上流側テーパ壁53に担持させる酸化物質の量は単
位体積当たりに隔壁54および下流側テーパ壁52に担
持させる酸化物質の量よりも多くされる。
【0054】ところでパティキュレートフィルタ22の
テーパ壁52,53は排気ガスの流れに対する向きの理
由から隔壁54に比べて排気ガスを通しやすい。すなわ
ち単位面積当たりのテーパ壁52,53を通過する排気
ガス量は単位面積当たりの隔壁54を通過する排気ガス
量よりも多い。したがって堆積する可能性のある微粒子
の量は隔壁54よりもテーパ壁52,53のほうが多
く、テーパ壁52,53は隔壁54よりも微粒子により
閉塞されやすい。
【0055】そこで単位体積当たりにテーパ壁52,5
3に担持させる酸化物質の量は単位体積当たりに隔壁5
4に担持させる酸化物質の量よりも多くされる。これに
よればテーパ壁52,53において単位時間当たりに酸
化除去可能な微粒子量が隔壁54において単位時間当た
りに酸化除去可能な微粒子量よりも多くなる。したがっ
てテーパ壁52,53に微粒子が多量に堆積することが
防止される。
【0056】またテーパ壁52,53に酸化物質を多く
担持させることにより若干ではあるがテーパ壁52,5
3を排気ガスが通過しづらくなる。このため排気ガスは
テーパ壁52,53と隔壁54とを比較的均等に通過す
るようになる。斯くしてテーパ壁52,53に微粒子が
多量に堆積することが防止される。しかもこれによれば
パティキュレートフィルタ22のテーパ壁52,53と
隔壁54とが微粒子の捕集のために効率良く利用され
る。
【0057】ところで微粒子はテーパ壁52,53の壁
面のうち上流側の壁面に多く堆積する。すなわちテーパ
壁52,53はその下流側の壁面よりも上流側の壁面の
ほうが閉塞されやすい。そこで単位体積当たりにテーパ
壁52,53に担持させる酸化物質の量が下流側の壁面
よりも上流側の壁面のほうが多くされる。これによれば
テーパ壁52,53の細孔が微粒子により閉塞されるこ
とが防止される。
【0058】次にパティキュレートフィルタ22に担持
される酸化物質について詳細に説明する。第1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5
1の周壁面、すなわち各隔壁54の両側表面上、テーパ
壁52,53の両側表面上、に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
持している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。第1実施例の酸化物質はこの活
性酸素放出剤である。
【0059】第1実施例では貴金属触媒として白金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、セリウムCeのよ
うな希土類、鉄Feのような遷移金属、およびスズSn
のような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用い
られている。
【0060】なお活性酸素放出剤としてはカルシウムC
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。
【0061】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。
【0062】例えばパティキュレートフィルタ22に流
入する排気ガスが空気過剰のもとで燃焼が行われる圧縮
着火式内燃機関から排出されるガスであるとして説明す
るとパティキュレートフィルタ22に流入する排気ガス
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。また圧縮着火式内燃機関
の燃焼室内では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は燃焼室内で酸素と反応してSO
2となる。したがって排気ガス中にはSO2が含まれてい
る。このため過剰酸素、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。
【0063】図6(A)および(B)は排気ガス流入通
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6(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。
【0064】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6
(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、N
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6
(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。
【0065】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K2SO4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K
NO3および硫酸カリウムK2SO4が生成される。
【0066】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、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、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6(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。
【0067】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、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。
【0068】また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、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K2SO4は安定で分解しづらいので硫酸カリウムK
2SO4は硝酸カリウムKNO3よりも活性酸素を放出し
づらい。
【0069】また活性酸素放出剤61は上述したように
NOXを硝酸イオンNO3 -の形で吸収するときにも酸素
との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。同
様に活性酸素放出剤61は上述したようにSO2を硫酸
イオンSO4 2-の形で吸収するときにも酸素との反応過
程において活性な酸素を生成し放出する。
【0070】ところで微粒子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。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。同様に活性酸素放出剤61に
おけるNOXと酸素との反応過程、或いはSO2と酸素と
の反応過程にて生成される酸素も活性酸素となってい
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(数秒〜数十分)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。
したがって微粒子62がパティキュレートフィルタ22
上に堆積することはほとんどない。
【0071】従来のようにパティキュレートフィルタ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、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。
【0072】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。すなわ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。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。
【0073】ところで白金Ptおよび活性酸素放出剤6
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2
2の温度が高くなるほど増大する。
【0074】図8の実線は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Gを示し
ている。なお図8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。単位時間当りにパテ
ィキュレートフィルタ22に流入する微粒子の量を流入
微粒子量Mと称するとこの流入微粒子量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8の領域Iに
あるときにはパティキュレートフィルタ22に流入した
全ての微粒子がパティキュレートフィルタ22に接触す
ると短時間(数秒から数十分)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。
【0075】これに対して流入微粒子量Mが酸化除去可
能微粒子量Gよりも多いとき、すなわち図8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7(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
7(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7(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。
【0076】担体層の表面が残留微粒子部分63により
覆われると白金Pt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行わ
れなくなるために残留微粒子部分63は酸化されること
なくそのまま残り、斯くして図7(C)に示したように
残留微粒子部分63の上に別の微粒子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。
【0077】このように微粒子が積層状に堆積すると微
粒子64はもはや活性酸素Oにより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。すなわち流入微粒子量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。
【0078】このように図8の領域Iでは微粒子はパテ
ィキュレートフィルタ22上において輝炎を発すること
なく短時間のうちに酸化せしめられ、図8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流入微
粒子量Mが常時、酸化除去可能微粒子量Gよりも少ない
必要がある。
【0079】図8から判るように本発明の実施例で用い
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、したがって流入微粒
子量Mおよびパティキュレートフィルタ22の温度TF
は流入微粒子量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されている。
【0080】このように流入微粒子量Mが酸化除去可能
微粒子量Gよりも常時、少ないと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。
【0081】一方、前述したようにいったん微粒子がパ
ティキュレートフィルタ22上において積層状に堆積す
るとたとえ流入微粒子量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、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流入微粒子
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。
【0082】次に本発明の第2実施例のパティキュレー
トフィルタについて説明する。図9に第2実施例のパテ
ィキュレートフィルタを示した。図9(A)はパティキ
ュレートフィルタの端面図であり、図9(B)はパティ
キュレートフィルタの縦断面図である。第2実施例のパ
ティキュレートフィルタ22の構成は第1実施例のパテ
ィキュレートフィルタの構成と基本的に同一である。し
たがって以下において説明していない第2実施例の構成
および作用は第1実施例のそれと同様である。
【0083】第2実施例のパティキュレートフィルタ2
2では下流側テーパ壁52の先端には第1実施例の下流
側テーパ壁52と同様に小孔55が形成されている。し
かしながら上流側テーパ壁53の先端には小孔は形成さ
れていない。すなわち排気ガス流出通路51は上流側テ
ーパ壁53により完全に閉塞されている。したがって第
2実施例のパティキュレートフィルタ22の微粒子捕集
率は第1実施例のそれよりも高い。
【0084】第2実施例においては排気ガス流入通路5
0内にアッシュや微粒子が堆積して排気ガスが隔壁54
を通過しづらくなったとしても、排気ガス流入通路50
内に新たに流入した排気ガスは小孔55を介してパティ
キュレートフィルタ22から流出することができる。し
たがって本実施例によればパティキュレートフィルタ2
2の圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値か
ら大きくずれることが抑制される。
【0085】また第2実施例においては排気ガス流入通
路50内に堆積しているアッシュや微粒子の量が多くな
って排気ガス流入通路50内の圧力が上昇するとその圧
力によりアッシュは小孔55を介してパティキュレート
フィルタ22から排出される。したがって本実施例によ
ればパティキュレートフィルタ22内に堆積しているア
ッシュの量が常に少なく維持されるのでアッシュをパテ
ィキュレートフィルタ12から排除するための特別な処
理をする必要が少ない。
【0086】さらに第2実施例においては排気ガス流入
通路50内に堆積している微粒子の量が多くなって排気
ガスが隔壁54を通過しづらくなると排気ガス流入通路
50内に新たに流入する微粒子は小孔55を介してパテ
ィキュレートフィルタ22から流出する。すなわちパテ
ィキュレートフィルタ22内に堆積している微粒子の量
は或る一定量以下に維持されている。これによれば多量
の微粒子がパティキュレートフィルタ22内にて一気に
燃焼することがなく、したがって微粒子の燃焼熱により
パティキュレートフィルタ22が溶損することが抑制さ
れる。
【0087】さらに第2実施例のパティキュレートフィ
ルタ22には酸化物質が担持されているので堆積微粒子
は徐々に酸化除去される。したがって堆積微粒子量が多
くなって微粒子がパティキュレートフィルタ22に捕集
されることなく流出し始め、結果的にパティキュレート
フィルタ22に新たに捕集される微粒子の量(以下、捕
集微粒子量と称す)が少なくなったときにも堆積微粒子
は酸化物質により酸化除去され続けている。このように
堆積微粒子が酸化除去されれば捕集微粒子量が増大し、
微粒子はパティキュレートフィルタ22に捕集されるの
で結果的にはパティキュレートフィルタ22に捕集され
ずにそこから流出する微粒子の量は少ない。
【0088】なお排気ガス流入通路50内に堆積したア
ッシュが排気ガス流入通路50内に圧力によりパティキ
ュレートフィルタ22から排出される直前においては排
気ガス流入通路50内に圧力が一時的に高くなることが
ある。第1実施例によればこのときパティキュレートフ
ィルタ22に新たに到来する排気ガスは上流側テーパ壁
53の小孔56を介して排気ガス流出通路51を通り、
パティキュレートフィルタ22から流出するので排気ガ
ス流入通路50内の圧力がこれ以上高くなることはな
い。
【0089】しかしながら第2実施例ではアッシュがパ
ティキュレートフィルタ22から排出されるまでは排気
ガス流入通路50内の圧力、すなわちパティキュレート
フィルタ22の圧損が一時的にではあるが高くなり続け
る可能性がある。したがって第2実施例のパティキュレ
ートフィルタはその圧損が一時的に高くなったとしても
パティキュレートフィルタ22の性能上問題ない場合、
或いはより高い微粒子捕集率が要求されている場合に有
効である。
【0090】また第1実施例に関連して説明した製造方
法を利用して排気ガス流出通路51を上流側テーパ壁5
3により完全に閉塞するためには型90をハニカム構造
体80の上流側の端面に押し付ける程度を大きくすれば
よい次に本発明の第3実施例のパティキュレートフィル
タについて説明する。図10に第3実施例のパティキュ
レートフィルタを示した。図10(A)はパティキュレ
ートフィルタの端面図であり、図10(B)はパティキ
ュレートフィルタの縦断面図である。第3実施例のパテ
ィキュレートフィルタ22の構成は第1実施例のパティ
キュレートフィルタの構成と基本的に同一である。した
がって以下では第1実施例のパティキュレートフィルタ
の構成とは異なる構成のみについて説明する。
【0091】第3実施例のパティキュレートフィルタ2
2では上流側テーパ壁53の先端には第1実施例の上流
側テーパ壁52を同様に小孔56が形成されている。し
かしながら下流側テーパ壁52の先端には小孔は形成さ
れていない。すなわち排気ガス流入通路50は下流側テ
ーパ壁52により完全に閉塞されている。したがって第
3実施例のパティキュレートフィルタ22の微粒子捕集
率は第1実施例のそれよりも高い。
【0092】第3実施例においては排気ガス流入通路5
0内にアッシュや微粒子が堆積して排気ガスが隔壁54
を通過しづらくなったとしても、パティキュレートフィ
ルタ22に新たに到来する排気ガスは上流側テーパ壁5
3の小孔56を介してパティキュレートフィルタ22か
ら流出することができる。したがって本実施例によれば
パティキュレートフィルタの圧損が高くなったとしても
潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制され
る。
【0093】また第3実施例においては上述したように
排気ガス流入通路50内にアッシュや微粒子が堆積して
排気ガスが隔壁54を通過しづらくなると上流側テーパ
壁53の小孔56を介してパティキュレートフィルタ2
2から流出する排気ガスの量が多くなる。すなわちパテ
ィキュレートフィルタ22に新たに到来するアッシュの
一部が上流側テーパ壁53の小孔56を介してパティキ
ュレートフィルタ22から排出される。したがって排気
ガス流入通路50内に堆積するアッシュの量が許容量以
上になるまでにかかる時間が長くなるのでパティキュレ
ートフィルタ22内に堆積したアッシュを排除するため
の特別な処理をする必要が少なくなる。
【0094】さらに第3実施例においては上述したよう
に排気ガス流入通路50内にアッシュや微粒子が堆積し
て排気ガスが隔壁54を通過しづらくなると上流側テー
パ壁53の小孔56を介してパティキュレートフィルタ
22から流出する排気ガスの量が多くなる。すなわちパ
ティキュレートフィルタ22に新たに到来する微粒子の
一部が上流側テーパ壁53の小孔56を介してパティキ
ュレートフィルタ22から排出される。したがって排気
ガス流入通路50内に堆積する微粒子の量が許容量以上
になるまでにかかる時間が長くなるのでパティキュレー
トフィルタ22が微粒子の燃焼熱により溶損せしめられ
る可能性が低減される。
【0095】もちろん第3実施例のパティキュレートフ
ィルタ22には酸化物質が担持されているので排気ガス
流入通路50内に堆積する微粒子の量が許容量以上とな
るまでにかかる時間が長ければそれまでに微粒子は酸化
物質により酸化除去されるので結局のところ堆積微粒子
量が許容量以上となることが抑制される。
【0096】なお第3実施例のパティキュレートフィル
タ22は排気ガス中のアッシュの量が極めて少なく且つ
潜在的な圧損が第1実施例における潜在的な圧損よりも
高くてもパティキュレートフィルタ22の性能上問題な
い場合、或いはより高い微粒子捕集率が要求されている
場合に有効である。
【0097】また第1実施例に関連して説明した製造方
法を利用して排気ガス流入通路50を下流側テーパ壁5
2により完全に閉塞するためには型90をハニカム構造
体80の下流側の端面に押し付ける程度を大きくすれば
よい。
【0098】最後に上述したパティキュレートフィルタ
22を内燃機関に搭載したときの内燃機関の制御につい
て説明する。図11は本発明のパティキュレートフィル
タ22を搭載した圧縮着火式内燃機関を示している。な
お本発明のパティキュレートフィルタは火花点火式内燃
機関にも搭載可能である。
【0099】図11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。
【0100】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
1に示した内燃機関では冷却装置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2
0aを介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に連結される。
【0101】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11に示した内燃機関で
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。
【0102】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。
【0103】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。
【0104】アクセルペダル40にはアクセルペダル4
0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3
0°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。
【0105】ところで上述したようにいったん微粒子が
パティキュレートフィルタ22上において積層状に堆積
するとたとえ流入微粒子量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。特に機関始動直後はパテ
ィキュレートフィルタ22の温度TFは低く、したがっ
てこのときには流入微粒子量Mのほうが酸化除去可能微
粒子量Gよりも多くなる。
【0106】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、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流入微粒子量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。
【0107】したがって流入微粒子量Mが酸化除去可能
微粒子量Gよりも通常少なくなり、かつ流入微粒子量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7(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、すなわち流入微粒
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流入微粒
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。
【0108】ところがこのように流入微粒子量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。
【0109】すなわち排気ガスの空燃比がリーンである
状態が一定期間に亘って継続すると白金Pt上に酸素が
多量に付着し、このために白金Ptの触媒作用が低下し
てしまう。ところが排気ガスの空燃比をリッチにして排
気ガス中の酸素濃度を低下させると白金Ptから酸素が
除去され、斯くして白金Ptの触媒作用が回復する。こ
れにより排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放
出剤61から外部に活性酸素Oが一気に放出されやすく
なる。斯くして一気に放出された活性酸素Oにより堆積
している微粒子が酸化されやすい状態に変質せしめられ
ると共に微粒子が活性酸素により輝炎を発することなく
燃焼除去される。斯くして排気ガスの空燃比をリッチと
すると全体として酸化除去可能微粒子量Gが増大する。
【0110】なおこの場合、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。
【0111】排気ガスの空燃比をリッチにする方法とし
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。
【0112】ところで上述したようにパティキュレート
フィルタ22に酸化除去することができないほど微粒子
が堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチにすること
により微粒子を酸化除去するようにしている場合、第1
実施例のパティキュレートフィルタ22はその上流領域
への炭化水素の付着が防止されるという点で優れてい
る。すなわち排気ガスの空燃比をリッチとすると炭化水
素がパティキュレートフィルタ22に流入する。このと
きパティキュレートフィルタ22には上流側ほど炭化水
素が付着しやすい。
【0113】ここでパティキュレートフィルタ22は上
流領域ほどその温度が低いので付着した炭化水素は消費
されずらく、徐々に堆積してしまう傾向にある。ところ
が本発明ではパティキュレートフィルタ22の上流領域
の部分に多くの酸化物質が担持されているので炭化水素
は堆積することなく良好に消費される。斯くしてパティ
キュレートフィルタ22の上流領域が炭化水素により閉
塞されることが防止される。
【0114】以上説明した内燃機関の運転制御ルーチン
の一例を図12に示した。図12を参照するとまず初め
にステップ100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。燃焼室5内の平均空
燃比をリッチにする必要がないときには流入微粒子量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101においてスロットル弁17の開度が制御さ
れ、ステップ102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。
【0115】一方、ステップ100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104においてスロットル弁17の開度が制御され、
ステップ105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106において燃料噴射量が制御される。
【0116】ところで燃料や潤滑油はカルシウムCaを
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。
【0117】この場合、活性酸素放出剤61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2
2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。
【0118】また本発明はパティキュレートフィルタ2
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8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。
【0119】また活性酸素放出剤としてNO2またはS
3を吸着保持し、これら吸着されたNO2またはSO3
から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
【0120】
【発明の効果】本発明によればパティキュレートフィル
タの通路は隔壁の端部分が寄せ集められてこの端部分同
志が部分的に接続されることによりその流路断面積が小
さくされている。このように通路の端部が寄せ集められ
た隔壁の端部分により画成されていることにより排気ガ
スは乱流を生じることなく通路内に流入し、或いは通路
から流出するのでパティキュレートフィルタの圧損は低
い。
【0121】さらに本発明によれば通路の端部には小孔
が存在するのでパティキュレートフィルタ内に堆積して
いる微粒子やアッシュの量が多くなるとパティキュレー
トフィルタに新たに到来する微粒子やアッシュはこの小
孔を介してパティキュレートフィルタから排出される。
したがってこのことからもパティキュレートフィルタの
圧損は低い値に維持される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパティキュレートフィルタを示す図で
ある。
【図2】本発明のパティキュレートフィルタの一部を示
す図である。
【図3】従来のパティキュレートフィルタを示す図であ
る。
【図4】ハニカム構造体を示す図である。
【図5】型を示す図である。
【図6】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図7】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図8】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィ
ルタの温度との関係を示す図である。
【図9】第2実施例のパティキュレートフィルタを示す
図である。
【図10】第3実施例のパティキュレートフィルタを示
す図である。
【図11】本発明のパティキュレートフィルタを搭載し
た内燃機関を示す図である。
【図12】機関の運転を制御するためのフローチャート
である。
【符号の説明】
22…パティキュレートフィルタ 50,51…排気流通路 52,53…テーパ壁
───────────────────────────────────────────────────── 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) F02D 41/04 355 F02D 43/00 301E 4D058 43/00 301 301T 45/00 314Z 45/00 314 B01D 46/42 B // B01D 46/42 53/36 103C 103B Fターム(参考) 3G084 AA01 AA03 BA05 BA08 BA19 BA20 BA24 DA10 DA27 EA11 EB01 EB04 EB22 FA10 FA33 FA38 3G090 AA02 AA03 BA01 CA01 DA01 DA09 DA13 DA18 DA20 EA05 EA06 EA07 3G301 HA02 HA06 HA11 HA13 JA15 JA24 JB09 LA03 LB11 MA01 MA11 MA18 NA06 NA07 NA08 NB12 NE01 NE06 NE13 NE14 NE15 PA01B PA01Z PA17B PA17Z PB08B PB08Z PD11B PD11Z PE01B PE01Z PE03B PE03Z PE08B PE08Z PF03B PF03Z 4D019 AA01 BC07 CA01 CB04 CB09 4D048 AA06 AA14 AB01 BA02Y BA14X BA15Y BA30X BA31Y BA32Y BA33Y BB02 BB12 BB14 BB16 BB17 BC01 CC27 CC53 CD05 DA01 DA02 DA03 DA06 DA20 EA04 4D058 JA32 JA37 MA44 MA51 SA08 TA06

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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具備し、該パティキュレート
    フィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定
    められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から
    形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部
    開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断
    面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔
    壁の端部分が寄せ集められて該端部分同志が部分的に接
    続されていることを特徴とする排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 複数の通路を具備し、これら通路のうち
    一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部
    分が寄せ集められて該下流端部分同志が部分的に接続さ
    れて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路にお
    いては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集めら
    れて該上流端部分同志が部分的に接続されて上流端開口
    が小孔とされていることを特徴とする請求項1に記載の
    排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 複数の通路を具備し、これら通路のうち
    一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部
    分が寄せ集められて該下流端部分同志が部分的に接続さ
    れて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路にお
    いては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集めら
    れて該上流端部分同志が接続されて該上流端開口が閉塞
    されていることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化
    装置。
  4. 【請求項4】 複数の通路を具備し、これら通路のうち
    一部の通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部
    分が寄せ集められて該上流端部分同志が部分的に接続さ
    れて該通路の上流端開口が小孔とされ、残りの通路にお
    いては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集めら
    れて該下流端部分同志が接続されて該下流端開口が閉塞
    されていることを特徴とする請求項1に記載の排気浄化
    装置。
  5. 【請求項5】 上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に
    微粒子を酸化することができる酸化物質が担持されてい
    ることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つに記載
    の排気浄化装置。
  6. 【請求項6】 微粒子を酸化することができる酸化物質
    が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上
    流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄
    せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量
    よりも多いことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1
    つに記載の排気浄化装置。
  7. 【請求項7】 上記隔壁の寄せ集められた端部分の壁面
    のうち上流側の壁面に担持された酸化物質の量が下流側
    の壁面に担持された酸化物質の量よりも多いことを特徴
    とする請求項5または6に記載の排気浄化装置。
  8. 【請求項8】 パティキュレートフィルタの温度を上昇
    するための処理を実行するように構成されていることを
    特徴とする請求項5〜7のいずれか1つに記載の排気浄
    化装置。
  9. 【請求項9】 周囲に過剰酸素が存在するとNOXを取
    り込んで該NOXを保持し且つ周囲の酸素濃度が低下す
    ると保持しているNOXを放出するNOX吸放出剤をパテ
    ィキュレートフィルタ上に担持することを特徴とする請
    求項5または6に記載の排気浄化装置。
  10. 【請求項10】 パティキュレートフィルタ上に貴金属
    触媒を担持したことを特徴とする請求項5または6に記
    載の排気浄化装置。
  11. 【請求項11】 上記酸化物質が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ている酸素を活性酸素の形で放出
    する活性酸素放出剤であり、該活性酸素放出剤がパティ
    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するようにした
    ことを特徴とする請求項10に記載の排気浄化装置。
  12. 【請求項12】 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
    なることを特徴とする請求項11に記載の排気浄化装
    置。
  13. 【請求項13】 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
    ることを特徴とする請求項12に記載の排気浄化装置。
  14. 【請求項14】 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ことを
    特徴とする請求項11に記載の排気浄化装置。
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