JP2004068651A

JP2004068651A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004068651A
Application number: JP2002226466A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kamoshita; 鴨下　伸治; Katsumi Kato; 加藤　勝己; Osamu Tsuchiya; 土屋　修; Tokuya Nitta; 新田　徳哉
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP3851243B2

Abstract

【課題】排気浄化装置全体の大きさをコンパクトにして車両への搭載性を高め、且つ、排気浄化材間の熱伝達率を高くし、且つ、排気浄化装置全体の圧力損失を小さく抑える。
【解決手段】上流から順に、第１の排気浄化材１５と、該第１の排気浄化材の圧力損失よりも圧力損失が大きい第２の排気浄化材１６と、該第２の排気浄化材の圧力損失よりも圧力損失が小さい第３の排気浄化材１７とを機関排気通路１３に設けられた共通のケーシング１３ａ内に具備する。第１の排気浄化材と第２の排気浄化材との間の容積空間Ｖ１が、第２の排気浄化材と第３の排気浄化材との間の容積空間Ｖ２よりも大きい。
【選択図】　　　図２

Description

【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】
特開平９−５３４４２号公報に、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中の成分を浄化するための排気浄化装置が開示されている。ここでの排気浄化装置は、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ_２（二酸化窒素）に酸化するための酸化触媒と、排気ガス中の煤を捕集するためのパティキュレートフィルタ（以下、更に、フィルタと称す）と、排気ガス中のＮＯｘを吸収するためのＮＯｘ吸収剤とを機関排気通路内に具備する。そして、酸化触媒が最も上流に配置されており、その下流にフィルタが配置されており、さらにその下流にＮＯｘ吸収剤が配置されている。すなわち、これら酸化触媒、フィルタ、および、ＮＯｘ吸収剤は、直列的に機関排気通路内に配置されている。
【０００３】
ところで、上記公報に記載されている排気浄化装置では、酸化触媒とフィルタとＮＯｘ吸収剤とが離れて配置されていることから、排気浄化装置全体が大型化してしまい、車両への搭載性が優れているとは言えない。また、酸化触媒において酸化反応を生じさせ、この酸化反応によって生じる熱をフィルタに伝達する必要がある場合、これら酸化触媒とフィルタとが離れていることから、フィルタに対する酸化触媒からの熱伝達が低い。
【０００４】
そこで、車両への搭載性に優れ且つ酸化触媒やフィルタやＮＯｘ吸収剤のような排気浄化材間の熱伝達が良好な排気浄化装置として、特開２０００−１９９４２３号公報に記載されている排気浄化装置を挙げることができる。当該公報に記載の排気浄化装置では、酸化触媒とフィルタとＮＯｘ触媒とが共通のケーシング内に直列的に収容されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した２つの公報において、酸化触媒、フィルタ、および、ＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ触媒）はそれぞれ圧力損失の原因となる。ここで、特開平９−５３４４２号公報では、これら排気浄化材が離れて配置されているので、これら排気浄化材が直列的に配置されているとしても、排気浄化装置全体の圧力損失は比較的小さい。ところが、特開２０００−１９９４２３号公報では、これら排気浄化材が共通のケーシング内に配置されているので、排気浄化装置全体の圧力損失は比較的大きい。
【０００６】
しかも、これら公報に記載の酸化触媒およびＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ触媒）は比較的圧力損失が小さいいわゆるモノリスタイプであり、フィルタは比較的圧力損失が高いいわゆるウォールフロータイプである。ここで、特開２０００−１９９４２３号公報のように、圧力損失が異なる排気浄化材が共通のケーシング内に直列的に配置されている場合、排気浄化装置全体の圧力損失はさらに増大するが、当該公報では、こうした圧力損失の増大を抑制するための方策は何ら考慮されていない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、圧力損失が異なる排気浄化材を共通のケーシング内に直列的に具備する排気浄化装置において、排気浄化装置全体の大きさをコンパクトにして車両への搭載性を高め、且つ、排気浄化材間の熱伝達率を高くし、且つ、排気浄化装置全体の圧力損失を小さく抑えることにある。
【０００８】
【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、上流から順に、第１の排気浄化材と、該第１の排気浄化材の圧力損失よりも圧力損失が大きい第２の排気浄化材と、該第２の排気浄化材の圧力損失よりも圧力損失が小さい第３の排気浄化材とを機関排気通路に設けられた共通のケーシング内に具備する排気浄化装置において、第１の排気浄化材と第２の排気浄化材との間の容積空間が、第２の排気浄化材と第３の排気浄化材との間の容積空間よりも大きい。ここで、第１の排気浄化材、第２の排気浄化材、第３の排気浄化材、および、機関排気通路は、後述する実施形態において、それぞれ、ＮＯｘ触媒、パティキュレートフィルタ、酸化触媒、および、排気管に相当する。
【０００９】
２番目の発明では、１番目の発明において、第１の排気浄化材および第３の排気浄化材が互いに平行に延びる複数の通路を有し、これら通路の両端の開口が開放されており、第２の排気浄化材が互いに平行に延びる複数の通路を有し、該第２の排気浄化材の通路のうち一部の通路においては一方の開口が閉塞され且つ他方の開口が開放されており、該第２の排気浄化材の残りの通路においては一方の開口が開放され且つ他方の開口が閉塞されている。
【００１０】
３番目の発明では、２番目の発明において、第２の排気浄化材の開口が栓によって閉塞されている。
【００１１】
４番目の発明では、２番目の発明において、第２の排気浄化材の通路を画成する隔壁の端部を少なくとも部分的に接続することによって閉塞されている。
【００１２】
５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、第１の排気浄化材の両端面の面積と、第２の排気浄化材の両端面の面積と、第３の排気浄化材の両端面の面積とがほぼ等しく、第１の排気浄化材と第２の排気浄化材との間の距離が第２の排気浄化材と第３の排気浄化材との間の距離よりも大きくなっている。
【００１３】
６番目の発明では、１〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、第１の排気浄化材が排気ガス中のＮＯｘを還元浄化するためのＮＯｘ触媒であって、該ＮＯｘ触媒が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はＮＯｘを保持し、そこに流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチとなると保持しているＮＯｘを還元剤によって還元浄化し、第２の排気浄化材が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であり、第３の排気浄化材が排気ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化除去するための酸化触媒である。
【００１４】
７番目の発明では、１〜６番目の発明のいずれか１つにおいて、第１の排気浄化材と第２の排気浄化材との間に排気ガスの温度を検出するための温度センサが取り付けられている。
【００１５】
８番目の発明では、１〜７番目の発明において、上記共通のケーシングの部分のうち第１の排気浄化材を収容している部分と、第２の排気浄化材を収容している部分と、第３の排気浄化材を収容している部分とがそれぞれ分割可能に接続されている。ここで、第１の排気浄化材を収容している部分、第２の排気浄化材を収容している部分、および、第３の排気浄化材を収容している部分は、後述する実施形態において、それぞれ、第１のケーシング部分、第２のケーシング部分、および、第３のケーシング部分に相当する。
【００１６】
【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。図１は、本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す図である。図１に示した内燃機関は、圧縮自着火式のディーゼル内燃機関である。図１において、１は機関本体、２は燃焼室、３は燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを示している。各燃料噴射弁３は共通のリザーバ（いわゆる、コモンレール）６に接続されている。コモンレール６は燃料を高圧下でもって一時的に溜めておくことができる。各燃料噴射弁３にはこのコモンレール６から燃料が供給される。
【００１７】
吸気マニホルド４には吸気管７が接続されている。吸気管７には燃焼室２に吸入される空気を冷却するためのインタークーラ８が取り付けられている。また、インタークーラ８下流の吸気管７内には、燃焼室２に吸入される空気の量を制御するためのスロットル弁９が配置されている。さらに、インタークーラ８上流において、吸気管７は排気ターボチャージャ１０のコンプレッサ１１の出口部に接続されている。コンプレッサ１１の入口部にも吸気管７が接続されており、この吸気管７には、燃焼室２に吸入される空気の量を検出するためのエアフローメータ１２が取り付けられている。
【００１８】
一方、排気マニホルド５には排気管１３が接続されている。排気管１３は排気ターボチャージャ１０の排気タービン１４の入口部に接続されている。また、排気タービン１４の出口部にも排気管１３が接続されている。この排気管１３の途中には、上流から順に、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化するためのＮＯｘ触媒１５、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（以下、単に、フィルタと称す）１６、および、排気ガス中のＣＯ（一酸化炭素）およびＨＣ（未燃炭化水素）を酸化除去するための酸化触媒１７を互いに間を開けて収容した共通のケーシング１３ａが配置されている。
【００１９】
ＮＯｘ触媒１５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をそこに吸着させることによって、或いは、そこに吸収することによって保持する。一方、ＮＯｘ触媒１５は、そこに流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比およびリッチとなると保持しているＮＯｘを還元剤（すなわち、排気ガス中のＨＣ）によって還元浄化する。
【００２０】
また、ＮＯｘ触媒１５上流の排気管１３には、当該排気管１３内に軽油（すなわち、燃料）を噴射するための軽油添加装置１８が取り付けられている。この軽油添加装置１８は、ＮＯｘ触媒１５に燃料を供給し、すなわち、リッチ空燃比の排気ガスを供給することによって、ＮＯｘ触媒１５においてＮＯｘを還元浄化するために用いられる。また、この軽油添加装置１８は、ＮＯｘ触媒１５に燃料を供給し、この燃料をＮＯｘ触媒１５にて燃焼させることによって、排気ガスの温度を上昇させるために用いられる。この温度を上昇せしめられた排気ガスは、フィルタ１６の温度を上昇させ、これによって、フィルタ１６に捕集されている微粒子を燃焼除去するために用いられる。
【００２１】
なお、酸化触媒１７は、ＮＯｘ触媒１５やフィルタ１６において酸化除去されずにフィルタ１６から流出するＣＯを酸化除去し、或いは、軽油添加装置１８から燃料を噴射したときにＮＯｘ触媒１５およびフィルタ１６において消費されなかったＨＣを酸化除去する。
【００２２】
また、軽油添加装置１８上流の排気管１３には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１９が取り付けられている。この空燃比センサ１９によって検出される排気ガスの空燃比に基づいて、燃焼室２内における混合気の空燃比が所望の空燃比となるように、燃料噴射弁３からの燃料噴射量が制御される。
【００２３】
なお、排気ガスの空燃比とは、燃料噴射弁３から噴射された燃料と軽油添加装置１８から噴射された燃料との総量に対する燃焼室２に吸入された空気の量の比である。
【００２４】
さらに、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６との間には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ２０が取り付けられている。この温度センサ２０によって検出される排気ガスの温度に基づいて、ＮＯｘ触媒１５の温度またはフィルタ１６の温度が推定される。そして、これら温度に基づいて、例えば、ＮＯｘ触媒１５の温度がＮＯｘ触媒１５の活性温度よりも高くなるようにＮＯｘ触媒１５の温度が制御され、或いは、ＮＯｘ触媒１５の温度またはフィルタ１６の温度がＮＯｘ触媒１５の熱劣化またはフィルタ１６の熱劣化を引き起こすほど高くならないように、ＮＯｘ触媒１５の温度またはフィルタ１６の温度が制御される。また、本発明によれば、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６とは密着して配置されているわけではなく、距離を開けて配置されているので、こうした温度センサ２０をこれらＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６との間に配置することができる。
【００２５】
また、酸化触媒１７下流の排気管１３には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ２１が取り付けられている。この温度センサ２１によって検出される排気ガスの温度に基づいて、酸化触媒１７の温度が推定される。そして、この温度に基づいて、例えば、酸化触媒１７の温度が酸化触媒１７の活性温度よりも高くなるようにＮＯｘ触媒１５の温度が制御され、或いは、酸化触媒１７の温度が酸化触媒１７の熱劣化を引き起こすほど高くならないように酸化触媒１７の温度が制御される。
【００２６】
また、酸化触媒１７下流の排気管１３には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ２２が取り付けられている。この空燃比センサ２２によって検出される排気ガスの空燃比に基づいて、燃焼室２内における混合気の空燃比が所望の空燃比となるように、燃料噴射弁３からの燃料噴射量が制御される。
【００２７】
さらに、ＮＯｘ触媒１５上流の排気管１３と酸化触媒１７下流の排気管１３とには、ＮＯｘ触媒１５、フィルタ１６、および、酸化触媒１７、すなわち、排気浄化装置全体に起因する圧力損失を検出するための背圧センサ２３ａ、２３ｂが取り付けられている。この背圧センサ２３ａ、２３ｂによって検出される排気浄化装置全体の圧力損失に基づいて、フィルタ１６内に捕集されている微粒子の量が推定される。そして、この微粒子の量に基づいて、フィルタ１６内に捕集されている微粒子の量が許容上限値を超えないようにフィルタ１６内に捕集されている微粒子を燃焼除去するタイミングが決定される。
【００２８】
また、燃焼室２から排出される排気ガスを排気マニホルド５から吸気マニホルド４へ導入し、結果として、燃焼室２内へ導入するための排気再循環（ＥＧＲ）通路２４が、排気マニホルド５から吸気マニホルド４まで延びる。燃焼室２内に排気ガスが導入されると、燃焼室２内における燃料の燃焼温度が低下する。これによって、燃焼室２内において発生するＮＯｘの量が低下する。
【００２９】
また、ＥＧＲ通路２４には、排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２５が取り付けられている。また、ＥＧＲクーラ２５上流のＥＧＲ通路２４内には、排気ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化浄化するための酸化触媒２６が配置されている。さらに、ＥＧＲクーラ２５下流のＥＧＲ通路２４には、燃焼室２内に導入される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称す）の量を制御するためのＥＧＲ制御弁２７が取り付けられている。ＥＧＲ制御弁２７の開度が大きくされるとＥＧＲガス量が多くなり、ＥＧＲ制御弁２７の開度が小さくされるとＥＧＲガス量が少なくなる。
【００３０】
図２は本発明の排気浄化装置を詳細に示し、図３はＮＯｘ触媒１５を詳細に示している。図２および図３に示されているように、ＮＯｘ触媒１５は、多孔質の隔壁３０によって画成される互いに平行に延びる複数の通路３１を有し、これら通路３１の両端の開口は全て開放されている。すなわち、ＮＯｘ触媒１５はいわゆるモノリスタイプの触媒である。したがって、図３（Ｂ）の矢印で示したように、ＮＯｘ触媒１５の通路に流入したほとんどの排気ガスは、該通路３１を画成する隔壁３０を通ることなく、その通路３１内を流れ続け、その通路３１の下流側の開口から流出する。このため、ＮＯｘ触媒１５の圧力損失は比較的小さい。
【００３１】
一方、図２および図４に示されているように、フィルタ１６も、多孔質の隔壁４０によって画成される互いに平行に延びる複数の通路４１，４２を有する。しかしながら、これら通路４１，４２のうちの一部４１においては、上流側の開口が栓４３によって閉塞され且つ下流側の開口が開放されている。一方、残りの通路４２においては、上流側の開口が開放され且つ下流側の開口が栓４４によって閉塞されている。すなわち、フィルタ１６はいわゆるウォールフロータイプのフィルタ１６である。したがって、図４（Ｂ）の矢印で示したように、上流側の開口が開放されているフィルタ１６の通路４２に流入した排気ガスは、該通路４２を画成する隔壁４０を通って別の通路４１に流入し、この別の通路４１の下流側の開口から流出する。このため、フィルタ１６の圧力損失は比較的大きい。
【００３２】
さらに、図２に示されているように、酸化触媒１７も、ＮＯｘ触媒１５と同様に、多孔質の隔壁５０によって画成される互いに平行に延びる複数の通路５１を有し、これら通路５１の両端の開口は全て開放されている。すなわち、酸化触媒１７も、いわゆるモノリスタイプの触媒である。したがって、酸化触媒１７の通路５１に流入したほとんどの排気ガスは、該通路５１を画成する隔壁５０を通ることなく、その通路５１内を流れ続け、その通路５１の下流側の開口から流出する。このため、酸化触媒１７の圧力損失は比較的小さい。
【００３３】
このように、本発明では、ＮＯｘ触媒１５の圧力損失はフィルタ１６の圧力損失よりも小さく、また、酸化触媒１７の圧力損失もフィルタ１６の圧力損失よりも小さい。
【００３４】
ところで、本発明では、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６との間の容積空間Ｖ１が、フィルタ１６と酸化触媒１７との間の容積空間Ｖ２よりも大きくなっている。詳細には、本発明では、ＮＯｘ触媒１５の両端面の面積と、フィルタ１６の両端面の面積と、酸化触媒１７の両端面の面積とがほぼ等しくなっており、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６との間の距離Ｘ１が、フィルタ１６と酸化触媒１７との間の距離Ｘ２よりも大きくなっている。さらに詳細には、本発明では、ＮＯｘ触媒１５の通路３１の数と、フィルタ１６の通路４１の数と、酸化触媒１７の通路５１の数とがほぼ等しくなっており、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６との間の距離Ｘ１がフィルタ１６と酸化触媒１７との間の距離Ｘ２よりも大きくなっている。
【００３５】
このようにＮＯｘ触媒１５、フィルタ１６、および、酸化触媒１７を共通のケーシング１３ａに配置することによって、以下の理由から、排気浄化装置全体の圧力損失を小さく抑えることができる。すなわち、第１実施形態のように、ＮＯｘ触媒１５、フィルタ１６、および、酸化触媒１７が構成されている場合において、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６との間の距離と、フィルタ１６と酸化触媒１７との間の距離とが等しい場合には、ＮＯｘ触媒１５から流入した排気ガスがフィルタ１６から受ける排気抵抗は大きく、フィルタ１６から流出した排気ガスが酸化触媒１７から受ける排気抵抗は小さい。詳細には、ＮＯｘ触媒１５から流入した排気ガスがフィルタ１６から受ける排気抵抗は、フィルタ１６から流出した排気ガスが酸化触媒１７から受ける排気抵抗のほぼ２倍となる。
【００３６】
ところが、第１実施形態のように、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６との間の距離Ｘ１がフィルタ１６と酸化触媒１７との間の距離Ｘ２よりも大きくなっていると、排気ガスはＮＯｘ触媒１５から比較的容積が大きい空間Ｖ１に流出することになる。したがって、排気ガスがフィルタ１６に流入するときに排気ガスがフィルタ１６から受ける排気抵抗は小さくなる。
【００３７】
一方、排気ガスはフィルタ１６から比較的容積が小さい空間Ｖ２に流入することになるが、酸化触媒１７の排気抵抗が比較的小さいことから、結果的に、酸化触媒１７に流入するときに排気ガスが酸化触媒１７から受ける排気抵抗は小さい。したがって、第１実施形態によれば、排気浄化装置全体の圧力損失が小さく維持されることとなる。
【００３８】
また、第１実施形態では、ＮＯｘ触媒１５とフィルタ１６とが間を開けて配置され且つフィルタ１６と酸化触媒１７とが間を開けて配置されているとは言え、これらの間の距離は比較的短いことから、排気浄化装置は非常にコンパクトである。このため、第１実施形態の排気浄化装置は車両への搭載性に非常に優れている。
【００３９】
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、図５に示されているように、ＮＯｘ触媒１５を収容した共通のケーシング１３ａの部分（以下、第１のケーシング部分と称す）１３ｂと、フィルタ１６を収容した共通のケーシング部分（以下、第２のケーシング部分と称す）１３ｃとがボルト２８およびナット２９によって分離可能に接続されている。また、フィルタ１６を収容した第２のケーシング部分１３ｃと酸化触媒１７を収容した共通のケーシング部分（以下、第３のケーシング部分と称す）１３ｄとがボルト２８およびナット２９によって分離可能に接続されている。このように、第１のケーシング部分１３ｂと、第２のケーシング部分１３ｃと、第３のケーシング部分１３ｄとが分離可能に接続されていることには、以下のような利点がある。
【００４０】
すなわち、フィルタ１６は微粒子を捕集するが、フィルタ１６に捕集されている微粒子の量が多くなると、フィルタ１６の圧力損失が大きくなる。したがって、フィルタ１６の圧力損失が許容上限値を超える前に、フィルタ１６に捕集されている微粒子を除去する必要がある。そこで、本発明では、フィルタ１６の圧力損失を監視し、フィルタ１６の圧力損失が許容上限値を超える前に、フィルタ１６に捕集されている微粒子を燃焼除去するようにしている。
【００４１】
ところが、このように微粒子を燃焼除去すると、フィルタ１６内には微粒子の燃え残り（いわゆる、アッシュ）が堆積する。こうしたアッシュはフィルタ１６から除去されるべきである。このためには、フィルタ１６に圧縮空気を吹き付けるか、或いは、フィルタ１６に圧縮水を吹き付け、フィルタ１６を洗浄すればよい。ここで、第２実施形態のように、フィルタ１６を収容している第２のケーシング部分１３ｂが、ＮＯｘ触媒１５を収容している第１のケーシング部分１３ｂと酸化触媒１７を収容している第３のケーシング部分１３ｄとから分離されれば、フィルタ１６を洗浄しやすい。
【００４２】
なお、図５に示した排気浄化装置は、その排気ガスの流入領域に、複数の穴７０を有する入口管７１が配置されている。入口管７１はその中央軸線に対してほぼ垂直に延びるプレート７２に取り付けられている。プレート７２にも複数の穴７３が設けられている。また、入口管７１とプレート７２と排気管１３とによって混合室７４が形成されている。
【００４３】
図５に示した排気浄化装置では、排気ガスは始めに入口管７１に流入し、次いで、入口管７１の穴７０を介して、混合室７４内に流入する。次いで、混合室７４内の排気ガスは、プレート７２の穴７３を介して、ＮＯｘ触媒１５に流入する。この構成によれば、軽油添加装置１８から燃料が噴射されたときに、燃料が入口管７１の穴７０を介して混合室７４内に流入したときに、この燃料と排気ガスとが良好に混合せしめられる。
【００４４】
なお、上述したフィルタの代わりに、図６に示されているフィルタを備えた排気浄化装置にも本発明を適用可能である。図６に示したフィルタ１６は、多孔質の隔壁４０によって画成された互いに平行に延びる複数の通路４１，４２を有する。そして、これら通路４１，４２のうちの一部の通路４１では、これら通路４１を画成する隔壁４０の上流側の端部がフィルタ１６の外側に向かってテーパ状となるように互いに寄せ集められて接続されている。一方、残りの通路４２では、これら通路４２を画成する隔壁の下流側の端部がフィルタ１６の外側に向かってテーパ状となるように互いに寄せ集められて接続されている。すなわち、各通路４１，４２はテーパ状とされた隔壁４０の端部によって閉塞されている。
【００４５】
詳細には、図６に示したフィルタ１６では、隣接する２つの通路４１，４２のうちの一方４１では、該通路４１を画成する隔壁４０の上流側の端部がフィルタ１６の外側に向かってテーパ状となるように互いに寄せ集められて接続され、このテーパ状とされた隔壁４５によって該通路４１の上流側の開口が閉塞されている。一方、他方の通路４２では、該通路を４２画成する隔壁４０の下流側の端部がフィルタ１６の外側に向かってテーパ状となるように互いに寄せ集められて接続され、このテーパ状とされた隔壁４６の端部によって該通路４２の下流側の開口が閉塞されている。
【００４６】
これによれば、排気ガスを流入させる通路４２の入口開口がテーパ状の隔壁４５によって画成されることとなる。このため、フィルタ１６に到来した排気ガスはスムーズに各通路４２内に流入することができるので、フィルタ１６の圧力損失が小さくなっている。また、排気ガスを流出させる通路４１の出口開口がテーパ状の隔壁４６によって画成されることとなる。このため、排気ガスはスムーズに各通路４１から流出することができるので、このことからも、フィルタ１６の圧力損失が小さくなっている。
【００４７】
また、上述したフィルタの代わりに、図７に示されているフィルタを備えた排気浄化装置にも本発明を適用可能である。図７に示したフィルタ１６は、図６に示したフィルタと基本的には同じであるが、以下の点で図６に示したフィルタとは異なる。すなわち、図７に示したフィルタ１６では、隣接する２つの通路４１，４２のうちの一方４１では、該通路４１を画成する隔壁４０の上流側の端部が、フィルタ１６の外側に向かってテーパ状となり且つこれらテーパ状とされた隔壁４５の上流側の端部の先端によって小孔４７が形成されるように、互いに向かって寄せ集められて部分的に接続されている。また、図７に示したフィルタ１６では、隣接する２つの通路４１，４２のうちの他方４２では、該通路４２を画成する隔壁４０の下流側の端部が、フィルタ１６の外側に向かってテーパ状となり且つこれらテーパ状とされた隔壁４６の下流側の端部の先端によって小孔４８が形成されるように互いに向かって寄せ集められて部分的に接続されている。
【００４８】
なお、上述したフィルタ１６が貴金属触媒と活性酸素生成剤とを担持し、これら貴金属触媒と活性酸素生成剤とによって生成される活性酸素によって、フィルタ１６に捕集された微粒子が比較的短時間のうちに酸化除去されるようになっていてもよい。すなわち、第３実施形態では、フィルタ１６の隔壁の両壁面上、および、隔壁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層が形成され、この担体層上に、貴金属触媒と、活性酸素生成剤とが担持されている。
【００４９】
貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）が用いられる。一方、活性酸素生成剤としては、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）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る。
【００５０】
排気ガスがフィルタ１６に流入すると、図８（Ａ）に示したように、排気ガス中の酸素（Ｏ_２）がＯ_２ ⁻またはＯ^２−の形で白金７０の表面に付着する。排気ガス中のＮＯはこれらＯ_２ ⁻またはＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる。斯くして生成されたＮＯ_２の一部は、白金７０上で酸化されつつ活性酸素生成剤７１内に吸収によって保持され、図８（Ａ）に示したように、カリウム（Ｋ）と結合しながら硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）の形で活性酸素生成剤７１内に拡散し、硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）の形で活性酸素生成剤７１内に吸収によって保持される。
【００５１】
ここで、図８（Ｂ）において、７２で示したように、微粒子が活性酸素生成剤７１の表面上に接触して付着すると、微粒子７２と活性酸素生成剤７１との接触面では酸素濃度が低下する。すなわち、活性酸素生成剤７１の周囲の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生成剤７１内との間で濃度差が生じ、斯くして、活性酸素生成剤７１内の酸素が微粒子７２と活性酸素生成剤７１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素生成剤７１内に形成されている硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）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７２と活性酸素生成剤７１との接面に向かい、その一方で、ＮＯが活性酸素生成剤７１から外部に放出される。
【００５２】
ここで、微粒子と活性酸素生成剤７１との接触面に向かう酸素は、硝酸カリウムといった化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、したがって、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。こうして活性酸素生成剤７１は活性酸素を生成する。なお、外部に放出されたＮＯは下流側の白金上において酸化され、再び活性酸素生成剤７１内に保持される。
【００５３】
活性酸素生成剤７１によって生成される活性酸素はそこに付着した微粒子７２を酸化除去するために消費される。すなわち、フィルタ１６に捕集された微粒子７２は活性酸素生成剤７１によって生成される活性酸素によって酸化除去される。
【００５４】
このように、フィルタ１６に捕集されている微粒子７２が反応性の高い活性酸素によって輝炎を発することなく酸化除去されるので、フィルタ１６の温度が過剰に高くなることがなく、したがって、フィルタ１６が熱劣化することがない。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の排気浄化材が共通のケーシング内に収容されているので、排気浄化装置全体の大きさがコンパクトであり、したがって、車両への搭載性に優れている。また、本発明によれば、排気浄化材が共通のケーシング内に比較的近接して配置されているので、排気浄化材間における熱伝達率が高い。また、本発明によれば、第１の排気浄化材から流出する排気ガスは、この第１の排気浄化材の圧力損失よりも大きい圧力損失を有する第２の排気浄化材に流入することとなるが、ここで、排気ガスは、容積の大きい空間を介して第２の排気浄化材に流入することになる。したがって、排気ガスが第１の排気浄化材から第２の排気浄化材に流入するときの流抵抗の上昇は小さく抑えられる。また、第２の排気浄化材から流出する排気ガスは、容積の小さい空間を介して第３の排気浄化材に流入することとなるが、ここで、第３の排気浄化材の圧力損失が第２の排気浄化材の圧力損失よりも小さい。したがって、排気ガスが第２の排気浄化材から第３の排気浄化材に流入するときの流抵抗の上昇も低く抑えられる。こうしたことから、排気浄化装置全体の圧力損失が低く抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の排気浄化装置を備えた内燃機関の全体図である。
【図２】第１実施形態の排気浄化装置を詳細に示す断面図である。
【図３】ＮＯｘ触媒を詳細に示す図である。
【図４】パティキュレートフィルタを詳細に示す図である。
【図５】第２実施形態の排気浄化装置を示す断面図である。
【図６】別の構成のパティキュレートフィルタを詳細に示す図である。
【図７】さらに別の構成のパティキュレートフィルタを詳細に示す図である。
【図８】パティキュレートフィルタの微粒子酸化除去作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２…燃焼室
３…燃料噴射弁
１３…排気管
１５…ＮＯｘ触媒
１６…パティキュレートフィルタ
１７…酸化触媒
１８…軽油添加装置
２０…温度センサ
３０…ＮＯｘ触媒の隔壁
３１…ＮＯｘ触媒の通路
４０…パティキュレートフィルタの隔壁
４１，４２…パティキュレートフィルタの通路
４３，４４…栓
４５，４６…テーパ状の隔壁
５０…酸化触媒の隔壁
５１…酸化触媒の通路
Ｖ１、Ｖ２…容積空間
Ｘ１、Ｘ２…距離

Claims

上流から順に、第１の排気浄化材と、該第１の排気浄化材の圧力損失よりも圧力損失が大きい第２の排気浄化材と、該第２の排気浄化材の圧力損失よりも圧力損失が小さい第３の排気浄化材とを機関排気通路に設けられた共通のケーシング内に具備する排気浄化装置において、第１の排気浄化材と第２の排気浄化材との間の容積空間が、第２の排気浄化材と第３の排気浄化材との間の容積空間よりも大きいことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
第１の排気浄化材および第３の排気浄化材が互いに平行に延びる複数の通路を有し、これら通路の両端の開口が開放されており、第２の排気浄化材が互いに平行に延びる複数の通路を有し、該第２の排気浄化材の通路のうち一部の通路においては一方の開口が閉塞され且つ他方の開口が開放されており、該第２の排気浄化材の残りの通路においては一方の開口が開放され且つ他方の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。
第２の排気浄化材の開口が栓によって閉塞されていることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
第２の排気浄化材の通路を画成する隔壁の端部を少なくとも部分的に接続することによって閉塞されていることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
第１の排気浄化材の両端面の面積と、第２の排気浄化材の両端面の面積と、第３の排気浄化材の両端面の面積とがほぼ等しく、第１の排気浄化材と第２の排気浄化材との間の距離が第２の排気浄化材と第３の排気浄化材との間の距離よりも大きくなっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
第１の排気浄化材が排気ガス中のＮＯｘを還元浄化するためのＮＯｘ触媒であって、該ＮＯｘ触媒が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はＮＯｘを保持し、そこに流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチとなると保持しているＮＯｘを還元剤によって還元浄化し、第２の排気浄化材が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であり、第３の排気浄化材が排気ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化除去するための酸化触媒であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
第１の排気浄化材と第２の排気浄化材との間に排気ガスの温度を検出するための温度センサが取り付けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
上記共通のケーシングの部分のうち第１の排気浄化材を収容している部分と、第２の排気浄化材を収容している部分と、第３の排気浄化材を収容している部分とがそれぞれ分割可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜７に記載の排気浄化装置。