JP2003193822A

JP2003193822A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003193822A
Application number: JP2001391925A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshida; 耕平吉田; Shinichi Takeshima; 伸一竹島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタにおいて酸化除去
可能な微粒子の量をできるだけ多くする。【解決手段】内燃機関から排出される排気ガス中に含
まれる微粒子を酸化除去するために活性な酸素を放出す
ることができる活性酸素生成剤６１を有するパティキュ
レートフィルタ２２を具備する。活性酸素生成剤がセリ
アＣｅと、セリアの３価イオンＣｅ³⁺のイオン半径にほ
ぼ等しいイオン半径を有する希土類元素とを含む。

Description

【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】圧縮着火式の内燃機関から排出される排
気ガス中の微粒子をいったん捕集し、この捕集された微
粒子を酸化することで微粒子を除去するようにしたパテ
ィキュレートフィルタが、特開２００１−２７１６２９
号公報に開示されている。ここでは、活性な酸素を放出
することができる活性酸素生成剤をパティキュレートフ
ィルタに担持させ、この活性酸素生成剤から放出される
活性酸素によって、パティキュレートフィルタに捕集さ
れた微粒子を短時間のうちに順次、酸化することで微粒
子がパティキュレートフィルタにて除去される。

【０００３】このように活性酸素を用いて微粒子を除去
することには、パティキュレートフィルタの温度が比較
的低くても微粒子を除去することができるという利点が
ある。すなわち、パティキュレートフィルタの温度はそ
こに流入する排気ガスの温度に依存し、圧縮着火式の内
燃機関から排出される排気ガスの温度は、比較的低いの
で、パティキュレートフィルタの温度も比較的低いが、
上記公報に開示されているパティキュレートフィルタに
よれば、このようにパティキュレートフィルタの温度が
比較的低い場合においても、パティキュレートフィルタ
に捕集された微粒子が除去される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報に
開示されているパティキュレートフィルタによれば、パ
ティキュレートフィルタの温度が比較的低くても微粒子
を活性酸素によって酸化除去することができるが、パテ
ィキュレートフィルタが単位時間あたりに酸化除去可能
な微粒子の量は、パティキュレートフィルタの温度が低
くなるほど少なくなる。したがって、上記公報に開示さ
れているパティキュレートフィルタには、パティキュレ
ートフィルタの温度が低くても、より多くの微粒子を酸
化除去することができるように改良する余地が残されて
いる。

【０００５】こうした事情に鑑み、本発明の目的は、パ
ティキュレートフィルタにおいて単位時間当たりに酸化
除去可能な微粒子の量をできるだけ多くすることにあ
る。

【０００６】

【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、内燃機関から排出される排気ガス
中に含まれる微粒子を酸化除去するために活性な酸素を
放出することができる活性酸素生成剤を有するパティキ
ュレートフィルタを具備する内燃機関の排気浄化装置に
おいて、前記活性酸素生成剤がセリアＣｅと、セリアの
３価イオンＣｅ ³⁺のイオン半径にほぼ等しいイオン半径
を有する希土類元素とを含む。

【０００７】２番目の発明では１番目の発明において、
上記活性酸素生成剤が含んでいる希土類元素が、イット
リウムＹ、ガドリニウムＧｄ、ネオジウムＮｄ、および
ランタンＬａの中の少なくとも一つである。

【０００８】３番目の発明では１番目の発明において、
上記パティキュレートフィルタが周囲の酸素が過剰であ
るときには排気ガス中のＮＯ_x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ＮＯ_xを還元浄化するこ
とができるＮＯ_x触媒をさらに有し、予め定められた時
期にパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空
燃比をリッチとする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を説
明する。初めに、本発明の排気浄化装置のパティキュレ
ートフィルタの構造について説明する。図１にパティキ
ュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図１（Ａ）
はパティキュレートフィルタ２２の正面図であり、図１
（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５
０，５１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓５
２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。

【００１０】図１（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。

【００１１】パティキュレートフィルタ２２は、例え
ば、コージェ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内を通って隣接する排気ガス流出通路５
１内に流出する。このように排気ガスが排気ガス流入通
路５０から隔壁５４内を通って排気ガス流出通路５１内
に流出する間に、排気ガス中の微粒子は、隔壁５４の壁
面上や隔壁５４内の細孔を画成する壁面上に捕集され
る。

【００１２】また、本発明のパティキュレートフィルタ
２２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の両側の壁
面）上、並びに、栓５２，５３の外端面および内端面上
に、並びに、隔壁５４内の細孔を画成する壁面上に、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解放して活性
酸素を生成する活性酸素生成剤と、周囲に過剰な酸素が
存在するとＮＯ _x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ＮＯ_xを解放するＮＯ_x保持剤とが担持
されている。

【００１３】本実施例では、貴金属触媒として白金Ｐｔ
が用いられる。一方、活性酸素生成剤として、Ｍ_xＣｅ_y
Ｏ_zの化学構造式にて表現されるホタル石型のセリウム
酸化物が用いられる。ここで本実施例において、Ｍはセ
リウムＣｅ以外の元素であって、セリウムの３価イオン
Ｃｅ³⁺のイオン半径とほぼ等しいイオン半径を有する希
土類元素であり、具体的には、イットリウムＹ、ガドリ
ニウムＧｄ、ネオジウムＮｄ、およびランタンＬａの中
の少なくとも一つである。

【００１４】さて、活性酸素の生成機構は十分には判明
していないが、次のように考えられる。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、すなわち、周囲に過剰な酸素が存在するとき
の活性酸素生成剤の構成は図２（Ａ）に示したようにな
っている。すなわち、セリウムイオンＣｅ⁴⁺と、元素Ｍ
のイオンＭ³⁺と、酸素イオンＯ^2-とが格子状をなして結
合し合っている。また、図２（Ａ）に示したように、こ
の構造には、本来、酸素イオンＯ^2-が存在するべきとこ
ろに酸素イオンＯ^2-が存在しない箇所、いわゆる酸素欠
陥Ｖ₀も存在する。

【００１５】ここで、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、図２（Ｂ）に示したように、大部分のセリウム
イオンＣｅ⁴⁺が還元されてＣｅ³⁺に変化し、これによ
り、活性酸素生成剤中の酸素イオンＯ^2-が不対電子を有
する活性酸素Ｏ^*の形で活性酸素生成剤から解放され、
新たな酸素欠陥Ｖ₀が形成される。そして、このように
大部分のセリウムイオンがＣｅ³⁺に変化している状態に
おいて、酸素欠陥Ｖ₀に新たに気相酸素分子Ｏ₂または酸
素イオンＯ^2-が移動して入ると活性化されて活性酸素と
なる。

【００１６】このように活性酸素生成剤によって生成さ
れる活性酸素は通常の酸素に比べて酸化能力が強いの
で、本実施例では、パティキュレートフィルタ２２に捕
集された微粒子はこの活性酸素によって短時間のうちに
酸化せしめられる。

【００１７】さらに、イットリウムＹ、ガドリニウムＧ
ｄ、ネオジウムＮｄ、またはランタンＬａはイオンの形
でセリウム酸化物内に含まれているが、図３の表に示し
たように、これら元素のイオン半径はセリウムの３価イ
オンＣｅ³⁺のイオン半径にほぼ等しい。このため、セリ
ウム酸化物中におけるセリウムと酸素との結合力は、ホ
タル石型のセリウム酸化物を構成する元素として、例え
ば、セリウムの３価イオンＣｅ³⁺のイオン半径よりもイ
オン半径が小さいジルコニアＺｒを採用した場合に比べ
て弱い。したがって、活性酸素生成剤によって活性酸素
がより多く生成される。このため本実施例によれば、パ
ティキュレートフィルタ２２に捕集された微粒子は所定
量以上に堆積することなく、良好に酸化除去される。

【００１８】なお、セリウムと酸素のみからなるセリウ
ム酸化物において微粒子を酸化除去する速度を１．０と
して、セリウム以外の元素としてイットリウムＹ、ガド
リニウムＧｄ、ネオジウムＮｄ、およびランタンＬａを
それぞれＹ³⁺、Ｇｄ³⁺、Ｎｄ ³⁺、Ｌａ³⁺の形で含む本実
施例のセリウム酸化物において微粒子を酸化除去する速
度を図４に示した。図４において、横軸はセリウム以外
の元素を示し、縦軸はセリウムと酸素のみからなるセリ
ウム酸化物における微粒子酸化除去速度に対する本実施
例のセリウム酸化物における微粒子酸化除去速度の比Ｒ
を示す。

【００１９】図４から明らかなように、微粒子酸化除去
速度は、セリウム酸化物がセリウム以外の元素Ｍを含ん
でいない場合に比べて、セリウム酸化物がセリウム以外
の元素Ｍを含んでいる場合のほうが非常に速くなってい
る。

【００２０】ところで、本実施例では、ＮＯ_x保持剤と
しては、リチウムＬｉ、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、
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１つが用いられる。

【００２１】次に、ＮＯ_x保持剤による排気ガス中のＮ
Ｏ_x保持作用について、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ＮＯ_x保持作用が行われる。

【００２２】本実施例のパティキュレートフィルタは、
例えば、圧縮着火式内燃機関のように微粒子を含んだ排
気ガスを排出する内燃機関において利用される。圧縮着
火式内燃機関で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、吸気通路および内燃機関の燃焼室内に供給された
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、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。このため、パティキュレ
ートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内には、過剰
酸素、およびＮＯを含んだ排気ガスが流入することにな
る。

【００２３】図５（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通
路５０の内壁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５（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ＮＯ _x保持剤を示している。

【００２４】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５（Ａ）に示したように、これら酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-
またはＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。

【００２５】一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面
上でＯ₂ ^-またはＯ^2-と反応し、ＮＯ 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ＮＯ_x保持剤６１内に保持さ
れ、カリウムＫと結合しながら図５（Ａ）に示したよう
に、硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で活性酸素生成剤６１内に拡
散し、硝酸カリウムＫＮＯ₃を生成する。

【００２６】パティキュレートフィルタ２２に流入する
排気ガス中の酸素濃度が高い限り、白金Ｐｔの表面でＮ
Ｏ₂が生成され、ＮＯ_x保持剤６１のＮＯ_X保持能力が飽
和しない限り、ＮＯ₂がＮＯ_x保持剤６１内に吸収されて
硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

【００２７】ここで、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に
なると、周囲の酸素濃度が低下するので、硝酸イオンＮ
Ｏ３−が流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入
排気ガス中の酸素濃度が低下し、その結果、白金Ｐｔの
表面でのＮＯ₂の生成量が低下する。ＮＯ₂の生成量が低
下すると、反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯
くして、ＮＯ_x保持剤６１内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂
の形でＮＯ_x保持剤から放出される。このとき、ＮＯ_X保
持剤６１から放出されたＮＯ_Xは、図５（Ｂ）に示した
ように、排気ガス中に含まれる多量の未燃ＨＣ，ＣＯと
反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの
表面上にＮＯ₂が存在しなくなるとＮＯ_x保持剤６１から
次から次へとＮＯ₂が放出される。したがって、排気ガ
スの空燃比がリッチになると、短時間のうちにＮＯ_X保
持剤６１からＮＯ_Xが放出され、しかも、この放出され
たＮＯ _Xが還元されるために大気中にＮＯ_Xが排出される
ことはない。

【００２８】ところで、本実施例のＮＯ_x保持剤６１は
活性酸素をも生成する。次にこのことについて図６を参
照して説明する。上述し且つ図６（Ａ）にも示したよう
に、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は、ＮＯが硝酸イオンＮ
Ｏ₃ ^-の形でＮＯ_x保持剤６１内に保持される。

【００２９】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ＳＯ₂
となる。したがって、排気ガス中にはＳＯ₂が含まれて
いる。

【００３０】そして、このＳＯ₂もＮＯと同様なメカニ
ズムによってＮＯ_x保持剤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Ｏ^2-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ＮＯ_x保持剤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ＮＯ_x保
持剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄を生成す
る。このようにＮＯ_x保持剤６１内には、硝酸カリウム
ＫＮＯ₃および硫酸カリウムＫ₂ＳＯ₄が生成される。

【００３１】ところで、燃焼室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、
或いは隔壁５４内を通過するときに、図６（Ｂ）におい
て６２で示したように、担体層の表面、例えばＮＯ_x保
持剤６１の表面上に接触し、付着する。

【００３２】このように微粒子６２がＮＯ_x保持剤６１
の表面上に付着すると、微粒子６２とＮＯ_x保持剤６１
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ＮＯ_x保持剤６１内との間で濃度
差が生じ、斯くしてＮＯ_x保持剤６１内の酸素が微粒子
６２とＮＯ_x保持剤６１との接触面に向けて移動し、活
性酸素の形でＮＯ_x保持剤６１から放出される。

【００３３】さらに、ＮＯ_x保持剤６１内の酸素が微粒
子６２とＮＯ_x保持剤６１との接触面に向けて移動する
結果、ＮＯ_x保持剤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ＮＯ_x保持剤６１との接触面に向
かい、その一方で、ＮＯがＮＯ_x保持剤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ＮＯ_x保持剤６１内に保持さ
れる。

【００３４】また、このときＮＯ_x保持剤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ＮＯ_x保持
剤６１との接触面に向かい、その一方で、ＳＯ₂がＮＯ_x
保持剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳ
Ｏ₂は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再びＮＯ_x
保持剤６１内に保持される。ただし、硫酸カリウムＫ₂
ＳＯ₄は安定で分解しづらいので、硫酸カリウムＫ₂ＳＯ
₄は硝酸カリウムＫＮＯ₃よりも活性酸素を放出しづら
い。

【００３５】また、図６（Ａ）に示したように、ＮＯ_x
保持剤６１はＮＯ_Xを硝酸イオンＮＯ ₃ ^-の形で保持する
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、ＮＯ_x保持剤６１はＳＯ₂を硫酸イ
オンＳＯ₄ ^2-の形で保持するときにも、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。

【００３６】このように微粒子６２とＮＯ_x保持剤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。こうして生成された酸素Ｏ^*は不対電子を有
しており、極めて高い反応性を有する。したがって、微
粒子６２とＮＯ_x保持剤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、ＮＯ_x保持剤６１に
おけるＮＯ_X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。したがって、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
全に消滅することとなる。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。

【００３７】なお、従来において、パティキュレートフ
ィルタ上に積層状に堆積した微粒子を除去するために
は、これら微粒子が火炎を伴って燃焼せしめられるが、
このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続しない。
すなわち、このような火炎を伴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の温度を高温に維持し
なければならない。

【００３８】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。

【００３９】次に、上述したパティキュレートフィルタ
を内燃機関の排気通路内に配置した場合について、図７
を参照して説明する。図７に示した内燃機関は圧縮着火
式内燃機関である。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７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に連結される。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１
４のコンプレッサ１５に連結される。

【００４０】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が配置される。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７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に連結される。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。すなわち、パティキュレートフィルタ２
２は排気タービン２１下流側の排気通路２０内に配置さ
れる。

【００４１】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
いに連結される。ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧ
Ｒ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７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。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
給される。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が取り付けられる。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。

【００４２】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
付けられる。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。

【００４３】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が接続される。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。

【００４４】ところで、白金ＰｔおよびＮＯ_x保持剤６
１の活性度はパティキュレートフィルタ２２の温度に応
じて変化する。したがって、流入する排気ガスの空燃比
がリーンであるときに、パティキュレートフィルタ２２
において輝炎を発することなく単位時間当たりに酸化除
去可能な微粒子の量（酸化除去可能微粒子量）は、フィ
ルタ温度に応じて変化する。これら酸化除去可能微粒子
量とフィルタ温度との関係が図８に示されている。図８
において、横軸はフィルタ温度ＴＦを示し、縦軸は単位
時間当たりに酸化除去される微粒子の量Ｇを示す。図８
の実線Ａが流入する排気ガスの空燃比がリーンであると
きのパティキュレートフィルタ２２の酸化除去可能微粒
子量Ｇを示している。すなわち、パティキュレートフィ
ルタ２２の酸化除去可能微粒子量Ｇはフィルタ温度ＴＦ
が高くなるほど多くなる。

【００４５】ところで、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が図８の実線Ａによって示される酸化除
去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、すなわち、実線Ａに
よって区切られた図８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。

【００４６】これに対し、排出微粒子量Ｍが図８の実線
Ａによって示される酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い
とき、すなわち、実線Ａによって区切られた図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９（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９（Ａ）に示したように、微粒子６２がＮＯ
_x保持剤６１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９（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。

【００４７】担体層の表面が残留微粒子部分６３によっ
て覆われてしまうと、白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ₂の酸
化作用、およびＮＯ_x保持剤６１による活性酸素の生成
作用が行われづらくなり、しかも、これら酸化作用およ
び生成作用が行われたとしても、残留微粒子部分６３の
大部分は白金Ｐｔから離れており、したがって、白金Ｐ
ｔの酸化作用を受けづらくなっている。このため、残留
微粒子部分６３は酸化されることなくそのまま残り、次
にこの残留微粒子部分６３上に堆積した微粒子６４も、
同様の理由から、酸化されることなくそのまま残る。斯
くして、図９（Ｃ）に示したように、残留微粒子部分６
３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。

【００４８】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によっても酸化されるこ
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、この場合には、微粒子を着火燃焼によっ
てしか除去することができず、こうするためには、排気
ガスの温度を高くしてパティキュレートフィルタ２２の
温度を高温にするか、或いは、直接、パティキュレート
フィルタ２２の温度を高温にしなければならない。

【００４９】上述したように図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。

【００５０】ここで図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、フィルタ温度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る。したがって、図７に示した圧縮
着火式内燃機関において、排出微粒子量Ｍおよびフィル
タ温度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。すなわち、本実施例においては、排出微粒子量Ｍお
よびフィルタ温度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ように
している。これによれば、パティキュレートフィルタ２
２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ほとんど低下し
ない。

【００５１】ところが上述したように、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、排気微粒子量
Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなれば、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。

【００５２】そこで本実施例では、上述したように、排
出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少な
くなるようにすると共に、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９
（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
維持するようにしている。

【００５３】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、このときには、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
維持する制御が実行される。

【００５４】ところで、上述した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って、パティキュレートフィルタ２
２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。

【００５５】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。このため、排気ガスの空燃比をリッチにすると、Ｎ
Ｏ_x保持剤６１によって活性酸素Ｏが一気に生成されや
すくなる。さらに上述したように、本実施例のセリウム
酸化物からなる活性酸素生成剤は、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、活性酸素を
一気に生成する。このときに活性酸素生成剤が生成する
活性酸素の量は、ＮＯ_x保持剤から生成される活性酸素
の量よりも相当に多い。

【００５６】斯くして、一気に生成された活性酸素Ｏに
よって、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。

【００５７】このように排気ガスの空燃比をリッチにし
たときにおける酸化除去可能微粒子量Ｇも図８に示され
ている。図８において、実線Ｃが本実施例において排気
ガスの空燃比がリッチにされたときにおける酸化除去可
能微粒子量を示し、一点鎖線Ｂはパティキュレートフィ
ルタが本実施例の活性酸素生成剤を有しておらず、した
がって、白金ＰｔとＮＯ_x保持剤６１のみを有する場合
において排気ガスの空燃比がリッチにされたときにおけ
る酸化除去可能微粒子量Ｇを示している。

【００５８】図８から明らかなように、本実施例におい
て、排気ガスの空燃比がリッチとされると、排気ガスの
空燃比がリーンであるときに比べて格段に酸化除去可能
微粒子量が増大する。

【００５９】そこで本実施例では、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してしまった場合
には、排気ガスの空燃比をリッチにする制御が実行され
る。なお、この制御は、パティキュレートフィルタ２２
上に微粒子が実際に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。

【００６０】なお、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ＥＧ
Ｒ率（ＥＧＲ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。

【００６１】以上説明した内燃機関の運転制御ルーチン
の一例を図１０に示した。図１０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、すなわち、パ
ティキュレートフィルタ２２に積層状に微粒子が堆積し
ていないときには、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。

【００６２】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、すなわち、パティキュレートフィルタ２２に積層状
に微粒子が堆積しているときには、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。

【００６３】最後に、パティキュレートフィルタ２２の
特定の例を挙げる。特定の例のパティキュレートフィル
タは、担体層として、アルミナ１００重量部とチタニア
１００重量部を具備し、且つ、セリウム化合物４０部を
具備し、さらに、ＮＯ_x保持剤として、１リットル当た
り０．２モルのカリウムＫと、１リットル当たり０．１
モルのリチウムＬｉとを具備し、さらに、貴金属触媒と
して、１リットル当たり２〜３ｇの白金Ｐｔを具備す
る。

【００６４】

【発明の効果】本発明では、活性酸素生成剤がセリアＣ
ｅと、セリアの３価イオンＣｅ³⁺のイオン半径にほぼ等
しいイオン半径を有する希土類元素とを含む。これによ
れば、セリアＣｅと酸素との結合力が弱くなるので、活
性酸素生成剤は活性酸素をより多く生成することがで
き、したがって、パティキュレートフィルタにおいて酸
化除去可能な微粒子の量がより多くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パティキュレートフィルタを示す図である。

【図２】活性酸素生成剤中の化学構造を示した模式図で
ある。

【図３】各イオン種のイオン半径を示す図である。

【図４】セリウムと酸素のみからなるセリウム酸化物に
おける微粒子酸化速度に対する本実施例の微粒子酸化速
度の比を示す図である。

【図５】ＮＯ_xの浄化作用を説明するための図である。

【図６】微粒子の酸化作用を説明するための図である。

【図７】内燃機関の全体図である。

【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】微粒子の堆積作用を説明するための図である。

【図１０】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】

５…燃焼室６…燃料噴射弁２２…パティキュレートフィルタ２５…ＥＧＲ制御弁６１…活性酸素生成剤

───────────────────────────────────────────────────── 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 3/24 Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｃ 3/28 ３０１Ｆ０２Ｄ 41/04 ３５５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３５５Ｂ０１Ｄ 53/36 １０３ＢＦターム(参考） 3G090 AA03 DA13 DA18 DA20 EA05 EA06 EA07 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB06 AB13 BA00 BA33 CB02 CB03 CB07 CB08 DA01 DA02 DB10 EA00 EA01 EA07 EA15 EA31 FB10 FB12 FC02 GA06 GA20 GA24 GB01X GB02Y GB04W GB04X GB10X GB16X GB17X HA14 HA38 HB03 HB05 HB06 3G301 HA02 HA04 HA06 HA11 HA13 JA15 JA24 JA25 LA03 LB11 MA01 MA11 MA18 NE13 NE15 PC03Z PD11B PD11Z PE01B PE01Z PE02B PE02Z PE03Z PF03Z PF04Z 4D019 AA01 BA05 BB06 BC07 CA01 4D048 AA06 AA14 AB01 AB02 BA03X BA18X BA19X BA30X BA41X BB02 CD05 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関から排出される排気ガス中に含
まれる微粒子を酸化除去するために活性な酸素を放出す
ることができる活性酸素生成剤を有するパティキュレー
トフィルタを具備する内燃機関の排気浄化装置におい
て、前記活性酸素生成剤がセリアＣｅと、セリアの３価
イオンＣｅ³⁺のイオン半径にほぼ等しいイオン半径を有
する希土類元素とを含むことを特徴とする排気浄化装
置。
【請求項２】上記活性酸素生成剤が含んでいる希土類
元素が、イットリウムＹ、ガドリニウムＧｄ、ネオジウ
ムＮｄ、およびランタンＬａの中の少なくとも一つであ
ることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】上記パティキュレートフィルタが周囲の
酸素が過剰であるときには排気ガス中のＮＯ_x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ＮＯ_xを
還元浄化することができるＮＯ_x触媒をさらに有し、予
め定められた時期に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をリッチとすることを特徴とする請
求項１に記載の排気浄化装置。