JP2004092433A

JP2004092433A - 微粒子酸化除去方法および内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004092433A
Application number: JP2002251949A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Nakano; 仲野　泰彰; Kazuhiro Ito; 伊藤　和浩
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタに捕集された微粒子を良好に除去する。
【解決手段】パティキュレートフィルタ１６に捕集された微粒子を除去するための方法において、パティキュレートフィルタに二酸化硫黄を供給する二酸化硫黄供給工程と、パティキュレートフィルタにおいて微粒子と二酸化硫黄とを反応させることによって微粒子の酸化を促進する微粒子酸化促進工程とを具備する。
【選択図】　　　図１

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】
内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）および微粒子を浄化するための排気浄化装置が特開２００２−２１５４４号公報に開示されている。この排気浄化装置は、ＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ触媒と、微粒子を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、フィルタと称す）とを具備する。この排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒の下流にフィルタが配置されている。
【０００３】
ところで、ＮＯｘ触媒は、そこに流入する排気ガスが酸素過剰な状態にある間は排気ガス中のＮＯｘを蓄積するが、同時に、排気ガス中のＳＯｘ（硫黄酸化物）をも蓄積してしまう。ここで、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ蓄積量が多くなると、ＮＯｘ触媒が蓄積可能なＮＯｘの量が少なくなってしまうので、ＮＯｘ触媒が蓄積可能なＮＯｘの量が許容可能な下限値を下回る前に、ＮＯｘ触媒に蓄積されているＳＯｘを排除すべきである。一方、フィルタに捕集されている微粒子の量が多くなると、排気ガスに対する流抵抗が大きくなるので、排気ガスに対する流抵抗が許容可能な上限値を超える前に、フィルタに捕集されている微粒子を除去すべきである。
【０００４】
ここで、ＮＯｘ触媒に蓄積されているＳＯｘは、ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの状態を還元剤過剰な状態とすることによって排除可能である。一方、フィルタに捕集されている微粒子は燃焼によって除去可能である。そこで、上記公報に記載の排気浄化装置では、フィルタに捕集されている微粒子に引火した後に、ＮＯｘ触媒に還元剤過剰な排気ガスを供給することによって、ＳＯｘの排除と微粒子の燃焼除去とを同時に行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＳＯｘを排除するためにＮＯｘ触媒に還元剤過剰な排気ガスを供給すると、ＮＯｘ触媒下流に配置されているフィルタには、酸素濃度が極めて低い排気ガスが供給されることとなる。したがって、フィルタ内部が酸素不足の状態となるので、フィルタにおいて微粒子は燃焼せず、除去されない。そこで、本発明の目的は、パティキュレートフィルタに捕集された微粒子を良好に除去することにある。
【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、パティキュレートフィルタに捕集された微粒子を酸化除去するための微粒子酸化除去方法において、パティキュレートフィルタに二酸化硫黄を供給する二酸化硫黄供給工程と、パティキュレートフィルタにおいて微粒子と二酸化硫黄とを反応させることによって微粒子の酸化を促進する微粒子酸化促進工程とを具備する。
２番目の発明では、１番目の発明において、上記二酸化硫黄供給工程と微粒子酸化促進工程とが少なくとも部分的に同時に実行される。
３番目の発明では、１または２番目の発明において、パティキュレートフィルタ内部の空燃比をリーン空燃比とする工程をさらに具備する。
４番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、上記二酸化硫黄供給工程では、内部の空燃比がリーン空燃比であるときに硫黄酸化物を保持し、内部の空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比になり且つ内部温度が予め定められた温度よりも高くなると保持している硫黄酸化物を二酸化硫黄の形で放出するＳＯｘ保持材の内部の空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比にすると共にＳＯｘ保持材の内部温度を上記予め定められた温度よりも高くすることによってＳＯｘ保持材から放出される二酸化硫黄がパティキュレートフィルタに供給される。
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、パティキュレートフィルタが通常の微粒子燃焼温度よりも低い温度でもって微粒子を燃焼させるための触媒を担持している。
６番目の発明では、５番目の発明において、上記触媒が白金属元素からなる。
７番目の発明では、６番目の発明において、パティキュレートフィルタはその内部の空燃比がリーン空燃比であるときに窒素酸化物を保持するが内部の空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比になると保持している窒素酸化物を還元するＮＯｘ触媒を担持しており、上記白金属元素からなる触媒が該ＮＯｘ触媒に担持されている。
８番目の発明では、５〜７番目の発明のいずれか１つにおいて、パティキュレートフィルタはその４００℃以下の温度であっても微粒子を燃焼可能である。
【０００７】
９番目の発明では、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置であって、内部の空燃比がリーン空燃比であるときには硫黄酸化物を保持するが内部の空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となり且つ内部の温度が予め定められた温度よりも高くなると保持している硫黄酸化物を二酸化硫黄の形で放出するＳＯｘ保持手段と、微粒子を捕集するパティキュレートフィルタとを機関排気通路に具備し、該パティキュレートフィルタがＳＯｘ保持手段の下流に配置されている排気浄化装置において、上記ＳＯｘ保持手段の内部の温度を上記予め定められた温度よりも高くすると共にＳＯｘ保持手段の内部の空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比としてＳＯｘ保持手段から硫黄酸化物を二酸化硫黄の形で放出する二酸化硫黄放出手段と、上記パティキュレートフィルタの内部の空燃比を制御するための空燃比制御手段とを具備し、上記二酸化硫黄放出手段によってＳＯｘ保持手段から二酸化硫黄が放出せしめられ、該二酸化硫黄がパティキュレートフィルタに到来したときに、上記空燃比制御手段によって、パティキュレートフィルタの内部の空燃比をリーン空燃比とすることによってパティキュレートフィルタにおいて微粒子と二酸化硫黄とを反応させ、これによって、微粒子を酸化する。
１０番目の発明では、９番目の発明において、上記空燃比制御手段がパティキュレートフィルタに酸素を供給する酸素供給装置である。
１１番目の発明では、１０番目の発明において、上記ＳＯｘ保持手段の下流に排気ガスの空燃比を検出するための空燃比検出手段を具備し、該空燃比検出手段によって検出される排気ガスの空燃比に基づいて上記酸素供給装置からパティキュレートフィルタに供給する酸素の量を制御する。
１２番目の発明では、１１番目の発明において、上記空燃比検出手段がＳＯｘ保持手段の下流であってパティキュレートフィルタの上流に配置されている。
【０００８】
【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している。図１に示した内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関である。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は排気マニホルドである。各燃料噴射弁３は共通の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は燃料を高圧下で溜めておくためのリザーバとして機能し、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。
【０００９】
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。インタークーラ８下流の吸気管７内には、燃焼室２内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。また、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が接続されている。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が配置されている。
【００１０】
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内には、排気ガス中のＳＯｘ（硫黄酸化物）を捕獲して保持するＳＯｘ保持材１５が配置されている。
【００１１】
ＳＯｘ保持材１５は、内部の空燃比がリーン空燃比であるときにＳＯｘを保持するが、内部の空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となり且つ内部の温度が予め定められた温度よりも高くなると保持しているＳＯｘをＳＯ_２（二酸化硫黄）の形で放出する。
【００１２】
なお、ＳＯｘ保持材１５の代わりに、アルカリまたはアルカリ土類金属を含み、流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには排気ガス中のＮＯｘを吸着または吸収によって保持するが、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空燃比となると保持しているＮＯｘを排気ガス中の還元剤によって還元浄化するＮＯｘ触媒を採用した場合にも、本発明は適用可能である。
【００１３】
図２（Ａ）はＳＯｘ保持材１５の端面図であり、図２（Ｂ）はＳＯｘ保持材１５の縦断面図である。ＳＯｘ保持材１５は、ハニカム構造をなす隔壁３０を具備する。これら隔壁３０によって互いに平行をなして延びる複数個の通路３１が形成されている。隔壁３０はコージェライトのような多孔質材料からなり、この隔壁にＳＯｘを保持する材料が担持されている。
【００１４】
ＳＯｘ保持材１５下流の排気管１３内には、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（以下、単に、フィルタと称す）１６が配置されている。なお、後述するように、フィルタ１６は貴金属触媒を担持しているので、排気ガス中のＨＣ（未燃炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）をも酸化して浄化する。また、後述するように、フィルタ１６は貴金属触媒と活性酸素生成剤とを担持しており、これら貴金属触媒と活性酸素生成剤とによって排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）が還元浄化されるので、フィルタ１６は排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化する。
【００１５】
図３（Ａ）はフィルタ１６の端面図であり、図３（Ｂ）はフィルタ１６の縦断面図である。フィルタ１６はハニカム構造をなす隔壁４０を具備する。これら隔壁４０によって互いに平行をなして延びる複数個の通路４１，４２が形成される。これら通路のうち略半数の通路４１がその下流端開口を栓４３で閉鎖されている。以下、これら通路４１を排気流入通路と称す。一方、残りの半数の通路４２はその上流端開口を栓４４で閉鎖されている。以下、これら通路４２を排気流出通路と称す。排気流入通路４１には４つの排気流出通路４２が隣接する。一方、排気ガス流出通路４２には４つの排気流入通路４１が隣接する。
【００１６】
排気ガスは排気流入通路４１に流入する。隔壁４０はコージェライトのような多孔質材料からなるので、図３（Ｂ）において矢印で示したように、排気流入通路４１内の排気ガスは、隔壁４０の細孔を通って、隣接する排気流出通路４２内に流れ込む。
【００１７】
また、フィルタ１６は、貴金属触媒と活性酸素生成剤とを担持している。すなわち、本発明では、フィルタ１６の隔壁４０の両壁面上、および、隔壁４０の細孔を画成する壁面上に全面に亘って、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、または、ＺｒＯ_２などの複合酸化物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。
【００１８】
貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）などの白金族元素が用いられる。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。
【００１９】
フィルタ１６は、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を比較的短時間のうちに酸化除去する。
【００２０】
すなわち、排気ガスがフィルタ１６に流入すると、図３（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４５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４５上で酸化されつつ活性酸素生成剤４６内に吸収によって保持され、図３（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４６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４６内に吸収によって保持される。
【００２１】
ここで、図３（Ｂ）において４７で示したように、微粒子が活性酸素生成剤４６の表面上に接触して付着すると、微粒子４７と活性酸素生成剤４６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４６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４６内との間で濃度差が生じ、斯くして、活性酸素生成剤４６内の酸素が微粒子４７と活性酸素生成剤４６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４６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）が微粒子と活性酸素生成剤４６との接面に向かい、その一方で、ＮＯが活性酸素生成剤４６から外部に放出される。
【００２２】
ここで、微粒子４７と活性酸素生成剤４６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４６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４５上において酸化され、再び活性酸素生成剤４６内に保持される。
【００２３】
活性酸素生成剤４６によって生成される活性酸素はそこに付着した微粒子４７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４７は活性酸素生成剤４６によって生成される活性酸素によって酸化除去される。
【００２４】
このように、フィルタ１６に捕集されている微粒子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。
【００２５】
なお、上述したフィルタの代わりに、貴金属触媒も活性酸素生成剤も担持しておらず、単に、図３に示されている構造を有するパティキュレートフィルタを採用した場合にも、本発明は適用可能である。また、上述したフィルタの代わりに、活性酸素生成剤を担持しておらず、図３に示されている構造を有し且つ貴金属触媒のみを担持したパティキュレートフィルタを採用した場合にも、本発明は適用可能である。
【００２６】
ところで、ＳＯｘ保持材１５上流の排気管１３には、排気ガス中に燃料を噴射するための燃料添加弁１７が取り付けられている。また、ＳＯｘ保持材１５下流であってフィルタ１６上流の排気管１３には、排気ガス中に空気を噴射するための空気添加弁１８が取り付けられている。さらに、空気添加弁１８下流であってフィルタ１６上流の排気管１３には、フィルタ１６に流入する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。
【００２７】
なお、ＳＯｘ保持材１５に関して、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の量と燃料添加弁１７から噴射された燃料の量との総量に対する燃焼室２内に吸入された空気の量（吸気量）の比である。一方、フィルタ１６に関して、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の量と燃料添加弁１７から噴射された燃料の量との総量に対する吸気量と空気添加弁１８から噴射された空気の量との総量の比である。
【００２８】
ところで、燃焼室２から排出された排気ガスを燃焼室２に導入するための排気再循環（ＥＧＲ）通路２０が排気マニホルド５から吸気マニホルド４まで延びる。ＥＧＲ通路２０には、排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２１が取り付けられている。また、ＥＧＲクーラ２１上流において、ＥＧＲ通路２０内には、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２２が配置されている。また、ＥＧＲクーラ２１下流において、ＥＧＲ通路２０には、燃焼室２に導入される排気ガスの量を制御するためのＥＧＲ制御弁２３が取り付けられている。
【００２９】
ところで、上述したように、フィルタ１６に捕集された微粒子は比較的短時間のうちに酸化除去されるが、単位時間当たりに燃焼室２から排出される微粒子の量が多くなると、フィルタ１６に一時的に堆積している微粒子の量が多くなる。このように堆積している微粒子の量が多くなると、微粒子がもはや酸化除去されなくなる。したがって、酸化除去されなくなるほどフィルタ１６に微粒子が堆積してしまう前に、フィルタ１６に堆積している微粒子を酸化除去してしまうべきである。
【００３０】
ここで、様々な実験から、フィルタ１６の内部雰囲気をリーン雰囲気に維持しつつフィルタ１６にＳＯ_２を供給すると、フィルタ１６における微粒子の酸化が促進されることが判明した。すなわち、フィルタ１６の温度ＴＦと微粒子酸化除去率Ｒｐｍとの関係を示した図５を参照すると、フィルタ１６にＳＯ_２を供給せずに、単に、フィルタ１６の内部雰囲気をリーン雰囲気に維持した場合、一点鎖線で示したように、微粒子酸化除去率Ｒｐｍはフィルタ１６の温度ＴＦがほぼ２５０℃付近から上昇し、フィルタ１６の温度が５００℃を超えたところから急激に上昇する。
【００３１】
一方、フィルタ１６の内部雰囲気をリーン雰囲気に維持しつつフィルタ１６にＳＯ_２を供給した場合、実線で示したように、微粒子酸化除去率Ｒｐｍはフィルタ１６の温度が２００℃付近から上昇し、フィルタ１６の温度が４００℃に達する手前で急激に上昇する。すなわち、フィルタ１６にＳＯ_２を供給することによって、フィルタ１６における微粒子の酸化作用が促進され、フィルタ１６の温度が４００℃以下であっても微粒子を燃焼可能となる。
【００３２】
そこで、本発明では、酸化除去されなくなるほどフィルタ１６に微粒子が堆積してしまう前に、フィルタ１６の内部雰囲気をリーン雰囲気に維持しつつフィルタ１６にＳＯ_２を供給する。これによれば、フィルタ１６における微粒子酸化作用が促進されるので、フィルタ１６に堆積している微粒子は酸化除去される。
【００３３】
ところで、燃料には硫黄成分が含まれていることから、燃焼室２内においてＳＯｘが発生する。したがって、排気ガス中にはＳＯｘが含まれている。そして、上述したように、ＳＯｘ保持材１５はそこに流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときにＳＯｘを保持する。燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比は、内燃機関が通常運転せしめられているときには、通常、リーン空燃比であるので、内燃機関が通常運転せしめられている間、ＳＯｘ保持材１５にはＳＯｘが保持される。
【００３４】
ここで、ＳＯｘ保持材１５の温度を或る温度よりも高くすると共に、燃料添加弁１７から燃料を噴射することによってほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比（以下、ほぼ理論空燃比とリッチ空燃比とをまとめて、単に、リッチ空燃比と称す）の排気ガス（以下、ほぼ理論空燃比の排気ガスとリッチ空燃比の排気ガスとをまとめて、単に、リッチガスと称す）をフィルタ１６に供給すれば、ＳＯｘ保持材１５からは、ＳＯｘがＳＯ_２の形で放出される。
【００３５】
そこで、第１実施形態では、酸化除去されなくなるほどフィルタ１６に微粒子が堆積してしまう前に、燃料添加弁１７から燃料を噴射し、リッチ空燃比の排気ガスをＳＯｘ保持材１５に供給する。これによれば、ＳＯｘ保持材１５において排気ガス中の燃料が燃焼してＳＯｘ保持材１５の温度が上昇して予め定められた温度を超え、さらに、ＳＯｘ保持材１５の内部雰囲気がリッチ雰囲気とされるので、ＳＯｘ保持材１５からはＳＯ_２が放出される。そして、これと同時に、第１実施形態では、空気添加弁１８から空気を噴射し、リーン空燃比の排気ガスをＳＯｘ保持材１５に供給する。これによれば、フィルタ１６の内部雰囲気がリーン雰囲気とされ、しかも、ＳＯｘ保持材１５からはＳＯ_２がフィルタ１６に供給される。したがって、フィルタ１６における微粒子酸化作用が促進され、フィルタ１６に堆積している微粒子が酸化除去される。
【００３６】
もちろん、ＳＯｘ保持材１５に保持されているＳＯｘをＳＯ_２の形でＳＯｘ保持材１５から放出させることによって、フィルタ１６にＳＯ_２を供給する以外に、別の方法にて、フィルタ１６にＳＯ_２を供給するようにしてもよい。
【００３７】
ところで、ＳＯｘ保持材１５が保持可能なＳＯｘの量には限界がある。ＳＯｘ保持材１５からのＳＯｘの放出が許可されるときに、ＳＯｘ保持材１５からＳＯｘを放出させるべきである。
【００３８】
そこで、本発明では、ＳＯｘ保持材１５が保持しているＳＯｘの量がその許容可能な上限値を超える前であって、ＳＯｘ保持材１５からのＳＯｘの放出が許可されるときに、燃料添加弁１７から燃料を噴射し、リッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ保持材１５に供給される。これによれば、ＳＯｘ保持材１５において排気ガス中の燃量が燃焼してＳＯｘ保持材１５の温度が上昇して予め定められた温度を超え、さらに、ＳＯｘ保持材１５の内部雰囲気がリッチ雰囲気とされるので、ＳＯｘ保持材１５からはＳＯｘが放出される。
【００３９】
ところで、このように放出されるＳＯｘはＳＯ_２の形でＳＯｘ保持材１５から放出される。したがって、このときには、フィルタ１６にＳＯ_２が流入することになる。ここで、フィルタ１６の内部雰囲気がリーン雰囲気であれば、フィルタ１６における微粒子の酸化作用が促進され、フィルタ１６に堆積している微粒子が酸化除去される。
【００４０】
そこで、第２実施形態では、上述したようにＳＯｘ保持材１５からＳＯｘが放出されているときに、空気添加弁１８から空気を噴射し、リーン空燃比の排気ガスをＳＯｘ保持材１５に供給する。これによれば、フィルタ１６の内部雰囲気がリーン雰囲気とされ、しかも、ＳＯｘ保持材１５からはＳＯ_２がフィルタ１６に供給される。したがって、フィルタ１６における微粒子酸化作用が促進され、フィルタ１６に堆積している微粒子が酸化除去される。
【００４１】
なお、上述した実施形態では、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、フィルタ１６に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比となるように、空気添加弁１８から噴射される空気の量が制御される。
【００４２】
また、上述した実施形態において、ＳＯｘ保持材１５からＳＯｘが放出されるときには、これと同時に、Ｈ_２Ｓ（硫化水素）もＳＯｘ保持材１５から放出される。そして、このＨ_２Ｓによっても、フィルタ１６における微粒子の酸化作用が促進される。
【００４３】
また、上述した実施形態において、燃料添加弁１７から燃料を噴射することによってＳＯｘ保持材１５にリッチ空燃比の排気ガスを供給する代わりに、内燃機関を駆動するために燃料噴射弁３から燃料が噴射された後の膨張行程または排気行程において、少量の燃料を噴射すること（いわゆる、ポスト噴射）によって燃焼室３からリッチ空燃比の排気ガスを排出させ、これによって、ＳＯｘ保持材１５にリッチ空燃比の排気ガスを供給するようにしてよい。
【００４４】
また、上述した実施形態において、燃料添加弁１７から燃料を噴射することによってＳＯｘ保持材１５にリッチガスを供給し且つ空気添加弁１８から空気を噴射することによってフィルタ１６にリーン空燃比の排気ガスを供給する代わりに、ＳＯｘ保持材１５から流出する排気ガスの平均空燃比がリーン空燃比となるように、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料添加弁１７からの燃料噴射量を制御しつつ燃料添加弁１７から燃料を間欠的に噴射することによって、ＳＯｘ保持材１５にリッチガスを供給し且つフィルタ１６にリーン空燃比の排気ガスを供給するようにしてもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態において、燃料添加弁１７から燃料を噴射することによってＳＯｘ保持材１５にリッチガスを供給し且つ空気添加弁１８から空気を噴射することによってフィルタ１６にリーン空燃比の排気ガスを供給する代わりに、ＳＯｘ保持材１５から流出する排気ガスの平均空燃比がリーン空燃比となるように、ポスト噴射を行う機関サイクルとポスト噴射を行わない機関サイクルとを織り交ぜることによって、ＳＯｘ保持材１５にリッチガスを供給し且つフィルタ１６にリーン空燃比の排気ガスを供給するようにしてもよい。
【００４６】
ところで、本発明の内燃機関では、ＥＧＲ通路２０を介して燃焼室２に導入される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称す）の量が多くなると燃焼室２内における煤の発生量が徐々に多くなり、やがて、ピークに達する。そして、ＥＧＲガス量がさらに多くなると、燃焼室２内における燃料およびその周辺の温度が低下して、燃焼室２内における煤の発生量が少なくなる。
【００４７】
図６は、機関低負荷運転時にスロットル弁９の開度およびＥＧＲ率を変化させることにより、空燃比Ａ／Ｆ（図６の横軸）を変化させたときの出力トルクの変化、およびスモーク、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの排出量の変化を示した実験例を表している。図６から分かるように、この実験例では、空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなり、理論空燃比（≒１４．６）以下のときにはＥＧＲ率は６５パーセント以上となっている。
【００４８】
図６に示したように、ＥＧＲ率を増大することにより空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくと、ＥＧＲ率が４０パーセント付近となり、空燃比Ａ／Ｆが３０程度になったときに、スモークの発生量が増大を開始する。次いで、さらにＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると、スモークの発生量が急激に増大してピークに達する。次いで、さらにＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると、今度はスモークが急激に低下し、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとスモークがほぼ零となる。すなわち、煤がほとんど発生しなくなる。このとき機関の出力トルクは若干低下し、また、ＮＯｘの発生量がかなり低くなる。一方、このときＨＣ，ＣＯの発生量は増大し始める。
【００４９】
図６からは次のことが言える。すなわち、第一に、空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときには、図６に示したように、ＮＯｘの発生量がかなり低下する。ＮＯｘの発生量が低下したということは燃焼室２内の燃焼温度が低下していることを意味しており、したがって、煤がほとんど発生しないときには燃焼室２内の燃焼温度が低くなっていると言える。
【００５０】
第２に、スモークの発生量、すなわち、煤の発生量がほぼ零になると、図６に示したように、ＨＣおよびＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素が煤まで成長せずに排出されることを意味している。すなわち、燃料中に含まれる直鎖状炭化水素や芳香族炭化水素は酸素不足の状態で温度上昇せしめられると、熱分解して煤の前駆体が形成され、次いで主に炭素原子が集合した固体からなる煤が生成される。この場合、実際の煤の生成過程は複雑であり、煤の前駆体がどのような形態をとるかは明確ではないが、いずれにしても、炭化水素は煤の前駆体を経て煤まで成長することになる。したがって、上述したように煤の発生量がほぼ零になると、図６に示したように、ＨＣおよびＣＯの排出量が増大するが、このときのＨＣは煤の前駆体またはその前の状態の炭化水素である。
【００５１】
ところで、煤の前駆体の状態で炭化水素の生成過程が停止するときの燃料およびその周囲の温度、すなわち、上述した或る温度は燃料の種類や空燃比の圧縮比等の種々の要因によって変化するので何度であるかということは言えないが、この或る温度はＮＯｘの発生量と深い関係を有しており、したがって、この或る温度はＮＯｘの発生量から或る程度規定することができる。すなわち、ＥＧＲ率が増大するほど燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度は低下し、ＮＯｘの発生量が低下する。このときＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ．　前後またはそれ以下になったときに、煤がほとんど発生しなくなる。したがって、上述の或る温度は、ＮＯｘの発生量が１０ｐ．ｐ．ｍ．　前後またはそれ以下になったときの温度にほぼ一致する。
【００５２】
本発明では、燃焼室２内における煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも多い量のＥＧＲガスを燃焼室２内に導入しつつ燃焼室２にて燃料を燃焼させる燃焼（以下、低温燃焼と称す）と、燃焼室２内における煤の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも少ない量のＥＧＲガスを燃焼室２内に導入しつつ燃焼室２にて燃焼を燃焼させる燃焼（以下、通常燃焼と称す）とを、機関運転状態に応じて、選択的に行わせるようにしている。
【００５３】
詳細には、低温燃焼を行わせる場合、ＥＧＲガス量が比較的多いことから、燃焼室２に新たに吸入される空気の量が少ない。したがって、燃焼室２内にて燃焼可能な燃料の量も少ない。このため、低温燃焼が行われているときに内燃機関から出力可能な出力は比較的小さい。したがって、本発明では、機関運転状態が内燃機関に対する要求負荷が比較的小さく且つ機関回転数が比較的小さい状態にあるときには、低温燃焼を行わせるようにしている。ここで、要求負荷が極めて小さいときに低温燃焼を行わせると、燃焼室２内において燃料の燃焼が安定しない。そこで、本発明では、機関運転状態が要求負荷が極めて小さく且つ機関回転数が比較的小さい状態にあるときには、通常燃焼を行わせるようにしている。また、機関運転状態が上述した状態以外の状態にあるとき、すなわち、要求負荷が比較的大きいか、或いは、機関回転数が比較的大きいときには、通常燃焼を行わせるようにしている。
【００５４】
すなわち、図７に示したように、本発明では、要求負荷Ｌが比較的小さく且つ機関回転数Ｎが比較的小さい領域Ｉにおいては低温燃焼を行わせ、要求負荷Ｌが極めて小さく且つ機関回転数Ｎが比較的小さい領域ＩＩにおいては通常燃焼を行わせるようにしている。
【００５５】
なお、図６に示したように、ＥＧＲ率Ｒが多くなると燃焼室２内におけるＮＯｘの発生量が少なくなる。したがって、低温燃焼が行われているときには燃焼室２内における煤の発生量もＮＯｘの発生量も少なくなっている。
【００５６】
また、低温燃焼を行うと、燃料およびその周囲のガス温度は低くなるが、排気ガスの温度は上昇する。このことについて図８を参照して説明する。図８（Ａ）の実線は、低温燃焼が行われたときの燃焼室内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示し、図８（Ａ）の破線は、通常の燃焼が行われたときの燃焼室内の平均ガス温度Ｔｇとクランク角との関係を示す。また、図８（Ｂ）の実線は、低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆとクランク角との関係を示し、図８（Ｂ）の破線は、通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆとクランク角との関係を示す。
【００５７】
低温燃焼が行われているときには、通常の燃焼が行われているときに比べてＥＧＲガス量が多く、したがって、図８（Ａ）に示したように圧縮上死点前、すなわち、圧縮行程中は実線で示した低温燃焼時における平均ガス温度Ｔｇのほうが破線で示した通常の燃焼時における平均ガス温度Ｔｇよりも高くなっている。なお、このとき図８（Ｂ）に示したように燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは平均ガス温度Ｔｇと略等しい温度になっている。
【００５８】
次いで、圧縮上死点付近において燃焼が開始されるが、この場合、低温燃焼が行われているときには、図８（Ｂ）の実線で示したように、燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には、燃料周りに多量の酸素が存在するために、図８（Ｂ）の破線で示したように、燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には、燃料およびその周囲のガス温度Ｔｆは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが、大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合のほうが低くなっており、したがって、図８（Ａ）に示したように、圧縮上死点付近における燃焼室内の平均ガス温度Ｔｇは低温燃焼が行われている場合のほうが通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図８（Ａ）に示したように、燃焼が完了した後の燃焼室内の平均ガス温度は、低温燃焼が行われた場合のほうが通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして、低温燃焼を行うと排気ガスの温度が高くなる。
【００５９】
そして、本発明では、低温燃焼が行われているときに、ポスト噴射を実行するようにする。低温燃焼が行われているときには、燃焼室２内に導入されるＥＧＲガス量が多いので、非常に少量の燃料で燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とすることができる。また、低温燃焼が行われているときに燃焼室２から排出される排気ガスの温度は比較的高いので、この排気ガスの熱によってＳＯｘ保持材の温度が迅速に上記予め定められた温度以上にまで上昇せしめられる。
【００６０】
【発明の効果】
１番目の発明によれば、微粒子の酸化が促進されるので、パティキュレートフィルタに捕集された微粒子が良好に除去される。
【００６１】
９番目の発明によれば、微粒子が酸化されるので、パティキュレートフィルタに捕集された微粒子が良好に除去される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関を示した図である。
【図２】ＳＯｘ保持材を示した図である。
【図３】パティキュレートフィルタを示した図である。
【図４】パティキュレートフィルタの微粒子酸化作用を説明するための図である。
【図５】パティキュレートフィルタの温度と微粒子酸化率との関係を示した図である。
【図６】ＥＧＲ率と微粒子発生量などとの関係を示した図である。
【図７】機関回転数と要求負荷とによって機関燃焼モードを決定するためのマップを示した図である。
【図８】低温燃焼における燃焼温度を示した図である。
【符号の説明】
１…機関本体
１５…ＳＯｘ保持材
１６…パティキュレートフィルタ
１７…燃料添加弁
１８…空気添加弁
１９…空燃比センサ

Claims

パティキュレートフィルタに捕集された微粒子を酸化除去するための微粒子酸化除去方法において、パティキュレートフィルタに二酸化硫黄を供給する二酸化硫黄供給工程と、パティキュレートフィルタにおいて微粒子と二酸化硫黄とを反応させることによって微粒子の酸化を促進する微粒子酸化促進工程とを具備することを特徴とする微粒子酸化除去方法。
上記二酸化硫黄供給工程と微粒子酸化促進工程とが少なくとも部分的に同時に実行されることを特徴とする請求項１に記載の微粒子酸化除去方法。
パティキュレートフィルタ内部の空燃比をリーン空燃比とする工程をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の微粒子酸化除去方法。
上記二酸化硫黄供給工程では、内部の空燃比がリーン空燃比であるときに硫黄酸化物を保持し、内部の空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比になり且つ内部温度が予め定められた温度よりも高くなると保持している硫黄酸化物を二酸化硫黄の形で放出するＳＯｘ保持材の内部の空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比にすると共にＳＯｘ保持材の内部温度を上記予め定められた温度よりも高くすることによってＳＯｘ保持材から放出される二酸化硫黄がパティキュレートフィルタに供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の微粒子酸化除去方法。
パティキュレートフィルタが通常の微粒子燃焼温度よりも低い温度でもって微粒子を燃焼させるための触媒を担持していることを特徴とする請求項１〜４に記載の微粒子酸化除去方法。
上記触媒が白金属元素からなることを特徴とする請求項５に記載の微粒子酸化除去方法。
パティキュレートフィルタはその内部の空燃比がリーン空燃比であるときに窒素酸化物を保持するが内部の空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比になると保持している窒素酸化物を還元するＮＯｘ触媒を担持しており、上記白金属元素からなる触媒が該ＮＯｘ触媒に担持されていることを特徴とする請求項６に記載の微粒子酸化除去方法。
パティキュレートフィルタはその４００℃以下の温度であっても微粒子を燃焼可能であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の微粒子酸化除去方法。
内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置であって、内部の空燃比がリーン空燃比であるときには硫黄酸化物を保持するが内部の空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比となり且つ内部の温度が予め定められた温度よりも高くなると保持している硫黄酸化物を二酸化硫黄の形で放出するＳＯｘ保持手段と、微粒子を捕集するパティキュレートフィルタとを機関排気通路に具備し、該パティキュレートフィルタがＳＯｘ保持手段の下流に配置されている排気浄化装置において、上記ＳＯｘ保持手段の内部の温度を上記予め定められた温度よりも高くすると共にＳＯｘ保持手段の内部の空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比としてＳＯｘ保持手段から硫黄酸化物を二酸化硫黄の形で放出する二酸化硫黄放出手段と、上記パティキュレートフィルタの内部の空燃比を制御するための空燃比制御手段とを具備し、上記二酸化硫黄放出手段によってＳＯｘ保持手段から二酸化硫黄が放出せしめられ、該二酸化硫黄がパティキュレートフィルタに到来したときに、上記空燃比制御手段によって、パティキュレートフィルタの内部の空燃比をリーン空燃比とすることによってパティキュレートフィルタにおいて微粒子と二酸化硫黄とを反応させ、これによって、微粒子を酸化する内燃機関の排気浄化装置。
上記空燃比制御手段がパティキュレートフィルタに酸素を供給する酸素供給装置であることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯｘ保持手段の下流に排気ガスの空燃比を検出するための空燃比検出手段を具備し、該空燃比検出手段によって検出される排気ガスの空燃比に基づいて上記酸素供給装置からパティキュレートフィルタに供給する酸素の量を制御することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記空燃比検出手段がＳＯｘ保持手段の下流であってパティキュレートフィルタの上流に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。