JP2006291873A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 フィルタ等から流出する排気ガス中にＨＣがほとんど含まれていないような内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 機関排気通路内に配置されると共に酸化能力を有する触媒が担持されたパティキュレートフィルタ１１を具備する内燃機関の排気浄化装置において、フィルタは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路のうち一部の排気流通路は下流端が閉じられている排気流入通路６０であり、残りの排気流通路は上流端が閉じられている排気流出通路６１であり、排気流出通路の周壁面のうち少なくとも一部の周壁面上に担持された触媒による酸化能力は、両排気流通路の全ての周壁面から上記少なくとも一部の周壁面を除いた周壁面上に担持された触媒による酸化能力よりも高い。
【選択図】 図２
【解決手段】 機関排気通路内に配置されると共に酸化能力を有する触媒が担持されたパティキュレートフィルタ１１を具備する内燃機関の排気浄化装置において、フィルタは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路のうち一部の排気流通路は下流端が閉じられている排気流入通路６０であり、残りの排気流通路は上流端が閉じられている排気流出通路６１であり、排気流出通路の周壁面のうち少なくとも一部の周壁面上に担持された触媒による酸化能力は、両排気流通路の全ての周壁面から上記少なくとも一部の周壁面を除いた周壁面上に担持された触媒による酸化能力よりも高い。
【選択図】 図２
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
従来からＮＯX吸蔵剤を有するパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）又は触媒コンバータが知られている。ＮＯX吸蔵剤は、フィルタ等に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」と称す）の空燃比がリーンときには排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比又はリッチのときには吸蔵されているＮＯXを離脱させる。ＮＯX吸蔵剤から離脱されたＮＯXは、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）によって還元される。
斯かるＮＯX吸蔵剤に担持可能なＮＯXの量は決まっているため、多くの内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯX吸蔵剤のＮＯX吸蔵量が一定量となったら、流入排気ガスの空燃比を強制的にほぼ理論空燃比又はリッチとすることでＮＯX吸蔵剤に吸蔵されているＮＯXを強制的に離脱させるようにしている（リッチスパイク）。リッチスパイクとしては、例えば機関本体から排出される排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比又はリッチとなるように機関運転状態を制御するか又はフィルタ等の排気上流において排気ガス中に燃料等を添加する燃料添加装置を設けて、斯かる燃料添加装置から燃料を添加することが挙げられる。
特許文献１に記載の排気浄化装置では、ＮＯX吸蔵剤に吸蔵されたＮＯX量が多くなったときには、圧縮上死点付近に行われるメイン噴射に加えて、圧縮上死点よりも後に行われるポスト噴射を行うことで、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比又はリッチにして、ＮＯX吸蔵剤に吸蔵されたＮＯXを離脱させている。また、特許文献１に記載の触媒コンバータはＮＯX吸蔵剤に加えてＨＣ吸着材を有しており、これにより触媒コンバータの温度が低いときには排気ガス中のＮＯX及びＨＣがＮＯX吸蔵剤及びＨＣ吸着材にそれぞれ吸蔵及び吸着せしめられると共に、触媒コンバータの温度が高くなるとＮＯX吸蔵剤から離脱せしめられたＮＯXがＨＣ吸着材から離脱せしめられたＨＣによって還元せしめられる。
ところで、リッチスパイクを行う際には、流入排気ガス中に含まれる燃料の一部がＮＯXの離脱・還元に用いられずに、そのままフィルタ等から流出してしまう場合がある。このように燃料の一部がフィルタ等から流出してしまうと、排気エミッションの悪化を招くことになる。
そこで、本発明の目的は、フィルタ等から流出する排気ガス中に炭化水素がほとんど含まれていないような内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路内に配置されると共に酸化能力を有する触媒が担持された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、上記パティキュレートフィルタは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路のうち一部の排気流通路は下流端が閉じられている排気流入通路であり、残りの排気流通路は上流端が閉じられている排気流出通路であり、上記排気流出通路の周壁面のうち少なくとも一部の周壁面上に担持された触媒による酸化能力は、両排気流通路の全ての周壁面から上記少なくとも一部の周壁面を除いた周壁面上に担持された触媒による酸化能力よりも高い。
第２の発明では、第１の発明において、上記少なくとも一部の周壁面は上記下流端の近傍に位置する。
第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記少なくとも一部の周壁面上に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着材が設けられる。
第４の発明では、第３の発明において、上記排気流入通路と排気流出通路との間には多数の細孔を備えた隔壁が設けられ、該隔壁が上記排気流入通路及び排気流出通路を画成し、上記ＨＣ吸着材は上記隔壁の細孔を塞ぐことのないように上記少なくとも一部の周壁面上に設けられる。
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、上記両排気流通路の全ての周壁面から上記少なくとも一部の周壁面を除いた周壁面上に、流入排気ガスの空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯXを吸蔵すると共に流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比又はリッチの時に吸蔵されているＮＯXを離脱させるＮＯX吸蔵剤が設けられる。
第２の発明では、第１の発明において、上記少なくとも一部の周壁面は上記下流端の近傍に位置する。
第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記少なくとも一部の周壁面上に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着材が設けられる。
第４の発明では、第３の発明において、上記排気流入通路と排気流出通路との間には多数の細孔を備えた隔壁が設けられ、該隔壁が上記排気流入通路及び排気流出通路を画成し、上記ＨＣ吸着材は上記隔壁の細孔を塞ぐことのないように上記少なくとも一部の周壁面上に設けられる。
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、上記両排気流通路の全ての周壁面から上記少なくとも一部の周壁面を除いた周壁面上に、流入排気ガスの空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯXを吸蔵すると共に流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比又はリッチの時に吸蔵されているＮＯXを離脱させるＮＯX吸蔵剤が設けられる。
上記課題を解決するために、第６の発明では、機関排気通路内に配置されると共に酸化能力を有する触媒が担持された触媒コンバータを具備する内燃機関の排気浄化装置において、上記触媒コンバータは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、上記排気流通路の周壁面のうち下流端近傍の周壁面上に担持された上記触媒による酸化能力は、上記排気流通路の周壁面のうち上記下流端近傍の周壁面以外の周壁面上に担持された上記触媒による酸化能力よりも高い。
上記課題を解決するために、第７の発明では、機関排気通路内に配置され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、上記パティキュレートフィルタは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路のうち一部の排気流通路は下流端が閉じられている排気流入通路であり、残りの排気流通路は上流端が閉じられている排気流出通路であり、上記排気流出通路の周壁面のうち少なくとも一部の周壁面上に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着材が設けられる。
第８の発明では、第７の発明において、上記少なくとも一部の周壁面は上記下流端の近傍に位置する。
第９の発明では、第７又は第８の発明において、上記排気流入通路と排気流出通路との間には多数の細孔を備えた隔壁が設けられ、該隔壁が上記排気流入通路及び排気流出通路を画成し、上記ＨＣ吸着材は上記隔壁の細孔を塞ぐことのないように上記少なくとも一部の周壁面上に設けられる。
第８の発明では、第７の発明において、上記少なくとも一部の周壁面は上記下流端の近傍に位置する。
第９の発明では、第７又は第８の発明において、上記排気流入通路と排気流出通路との間には多数の細孔を備えた隔壁が設けられ、該隔壁が上記排気流入通路及び排気流出通路を画成し、上記ＨＣ吸着材は上記隔壁の細孔を塞ぐことのないように上記少なくとも一部の周壁面上に設けられる。
上記課題を解決するために、第１０の発明では、機関排気通路内に配置される触媒コンバータを具備する内燃機関の排気浄化装置において、上記触媒コンバータは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、上記排気流通路の周壁面のうち下流端近傍の周壁面上に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着材が設けられる。
本発明によれば、フィルタ等から流出する排気ガス中にＨＣがほとんど含まれていないような内燃機関の排気浄化装置が提供される。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明を圧縮自着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関に適用することもできる。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、さらに吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口はパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）１１を内蔵したケーシング１２に連結される。排気マニホルド５の集合部出口には排気マニホルド５内を流れる排気ガス中に炭化水素（ＨＣ）を添加するためのＨＣ添加装置１３が配置される。なお、本実施形態では、ＨＣ添加装置１３からＨＣを添加しているが、ＨＣのみならずＮＯXを還元することができる物質であれば如何なる物質を添加してもよい。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置１６が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水が冷却装置１６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１７を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール１８に連結される。このコモンレール１８内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９から燃料が供給され、コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して燃料噴射弁３に供給される。
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によって互いに接続された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及び出力ポート３６を具備する。フィルタ１１の排気上流側の排気管にはこの排気管内を流れる排気ガス中のＮＯXの濃度を検出するためのＮＯXセンサ２０が取付けられ、このＮＯXセンサ２０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、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量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１５°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３、スロットル弁９駆動用ステップモータ、ＨＣ添加装置１３、ＥＧＲ制御弁１５、及び燃料ポンプ１９に接続される。
図２（ａ）及び（ｂ）にフィルタ１１の構造を示す。なお、図２（ａ）はフィルタ１１の正面図を示しており、図２（ｂ）はフィルタ１１の断面側面図を示している。図２（ａ）及び（ｂ）に示したようにフィルタ１１はハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる複数の排気流通路６０、６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気流出通路６１とにより構成される。なお、図２（ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気流入通路６０及び排気流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気流入通路６０及び排気流出通路６１は各排気流入通路６０が４つの排気流出通路６１によって包囲され、各排気流出通路６１が４つの排気流入通路６０によって包囲されるように配置される。
フィルタ１１は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、従って排気流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（ｂ）において矢印で示したように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気流出通路６１内に流出する。
ここで、圧縮自着火式内燃機関では、燃焼室内で主にカーボン（Ｃ）からなるパティキュレートが生成される。したがって、排気ガス中にはこれらパティキュレートが含まれる。排気ガス中のパティキュレートは、排気ガスが図２（ｂ）に示したようにフィルタ１１内を流れているときに各排気流入通路６０及び各排気流出通路６１の周壁面、及び隔壁６４内の細孔内壁面上に付着し、捕集される。
さらに、本実施形態では、各排気流入通路６０及び各排気流出通路６１の周壁面上及び隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、担体には触媒貴金属７０とＮＯX吸蔵剤７１とが担持されている。
図３（ａ）、（ｂ）はこの担体の表面部分の断面を図解的に示している。図３（ａ）、（ｂ）に示されるように担体の表面上には触媒貴金属７０が分散して担持されており、さらに担体の表面上にはＮＯX吸蔵剤７１の層が形成されている。
本実施形態では触媒貴金属７０として白金（Ｐｔ）が用いられており、ＮＯX吸蔵剤５２を構成する成分としては例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
機関吸気通路、燃焼室２及びフィルタ１１上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯX吸蔵剤７１は、フィルタ１１に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」と称す）の空燃比がリーンのときにはＮＯXを吸蔵し、流入排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比又はリッチ（以下、「ストイキ・リッチ」と称す）にすると吸蔵されているＮＯXを離脱させるＮＯXの吸蔵・離脱作用を行う。
ＮＯX吸蔵剤７１を構成する成分としてバリウム（Ｂａ）を用いた場合を例にとって説明すると、流入排気ガスの空燃比がリーンのとき、すなわち流入排気ガス中の酸素濃度が高いときには流入排気ガス中に含まれるＮＯは図３（ａ）に示されるように白金７１上において酸化されてＮＯ2となり、次いでＮＯX吸蔵剤７１内に吸蔵されて酸化バリウム（ＢａＯ）と結合しながら硝酸イオン（ＮＯ3 -）の形でＮＯX吸蔵剤７１内に拡散する。このようにしてＮＯXがＮＯX吸蔵剤７１内に吸収される。
これに対し、流入排気ガスの空燃比をストイキ・リッチにすると流入排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3 -→ＮＯ2）に進み、これによりＮＯX吸蔵剤７１内の硝酸イオン（ＮＯ3 -）がＮＯ2の形でＮＯX吸蔵剤７１から放出される。次いで放出されたＮＯXは流入排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯによって還元される。
なお、上記説明では、ＮＯXはＮＯX吸蔵剤７１に吸収される（すなわち、硝酸塩等の形で蓄積する）ものとして説明しているが、実際にはＮＯXは吸収されているのか吸着（すなわち、ＮＯXをＮＯ2等の形で吸着する）しているのかは必ずしも明確ではなく、これら吸収及び吸着の両概念を含む吸蔵という用語を用いる。また、ＮＯX吸蔵剤７１からの「離脱」という用語についても、「吸収」に対応する「放出」の他、「吸着」に対応する「脱離」の意味も含むものとして用いる。
ところで、ＮＯX吸蔵剤７１のＮＯX吸蔵能力には限界があり、圧縮自着火式内燃機関のようにリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われると、その間にＮＯX吸蔵剤５２のＮＯX吸蔵能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯX吸蔵剤７１によりＮＯXを吸蔵できなくなってしまう。そこで本実施形態では、ＮＯX吸蔵剤７１のＮＯX吸蔵能力が飽和する前に、具体的にはＮＯX吸蔵剤７１へのＮＯX吸蔵量が一定量に達すると、ＨＣ添加装置１３から炭化水素を供給することによって流入排気ガスの空燃比を一時的にストイキ・リッチにし、それによってＮＯX吸蔵剤７１からＮＯXを強制的に離脱・還元させるようにしている（リッチスパイク）。
すなわち、フィルタ１１の排気上流側に設けられたＮＯXセンサ２０の出力に基づいて、又は機関運転パラメータ（例えば、燃料噴射時期、ＥＧＲ量等）に基づいてＮＯX吸蔵剤７１のＮＯX吸蔵量を推定し、推定されたＮＯX吸蔵量が予め定められた限界吸蔵量以上となった場合に、リッチスパイクを行ってＮＯX吸蔵剤７１に吸蔵されているＮＯXを全て離脱・還元させる。これにより、ＮＯX吸蔵剤７１のＮＯX吸蔵能力が回復せしめられる。
なお、上記実施形態ではＨＣ添加装置１３から炭化水素を添加することによって流入排気ガスの空燃比をストイキ・リッチとしているが、例えば、圧縮上死点付近で行われるメイン噴射に加えて圧縮上死点よりも後に機関駆動にあまり寄与しないポスト噴射を行うことによって流入排気ガスの空燃比をストイキ・リッチとしてもよい。
ところが、リッチスパイクを行う際には、必ずしもＨＣ添加装置１３によって排気ガス中に添加されたＨＣ全てがＮＯXの還元に用いられるとは限らず、斯かるＨＣの一部がフィルタ１１を通過する間にＮＯX吸蔵剤から離脱せしめられたＮＯXと反応せずにそのままフィルタ１１から流出してしまうことがある。このように、フィルタ１１からＨＣが流出してしまうと、排気エミッションの悪化を招く結果となる。
そこで、本実施形態では、図２（ｂ）に示したように、フィルタ１１の排気流出通路６１の周壁面のうち排気下流側の周壁面（以下、「下流側周壁面」と称す）上にＨＣ吸着材６５が設けられている。本実施形態では、フィルタ１１の下流側周壁面は、排気流出通路６１の周壁面のうちフィルタ１１の下流端から上流側に向かって長さＬに亘って延びている周壁面を意味する。すなわち、ＨＣ吸着材６５は、フィルタ１１に流入した排気ガスがフィルタ１１から流出する直前にＨＣ吸着材６５上を通過するように、フィルタ１１上に設けられる。
加えて、ＨＣ吸着材６５が設けられている下流側周壁面上には触媒貴金属が多量に担持されており、下流側周壁面上における単位面積当たりの触媒貴金属の担持量は、排気流入通路６０及び排気流出通路６１の周壁面のうち上記下流側周壁面を除いた周壁面（以下、「流入側・上流側周壁面」と称す）上における単位面積当たりの触媒貴金属の担持量よりも多い。従って、下流側周壁面上の触媒貴金属による酸化能力は、流入側・上流側周壁面上の触媒貴金属による酸化能力よりも高い。
ＨＣ吸着材６５は、例えばゼオライト、アルミナ又はチタニアから形成され、基本的にＨＣ吸着材６５の温度が基準温度（例えば３５０℃程度）以下である場合には流入排気ガス中のＨＣを吸着すると共にＨＣ吸着材６５の温度が基準温度よりも高いと吸着しているＨＣを離脱させる傾向にある。ただし、ＨＣ過剰雰囲気中においては、ＨＣ吸着材６５の温度が上記基準温度よりも多少高くてもＨＣを吸着し易く、逆にＨＣが少ない雰囲気中においては、ＨＣ吸着材６５の温度が上記基準温度以下であってもＨＣを離脱し易い。
リッチスパイクが行われている場合、流入排気ガスの空燃比がストイキ・リッチとされるため、下流側周壁面上、すなわちＨＣ吸着材６５上を通過する排気ガス中には流入側・上流側周壁面上を通過する間にＮＯXの還元に寄与しなかったＨＣが含まれている。また、本実施形態のように圧縮自着火式内燃機関においては排気ガスの温度が比較的低く、またフィルタ１１は機関本体１から比較的離れて配置されるため、通常、フィルタ１１の温度、すなわちＨＣ吸着材６５の温度はあまり高くならず、リッチスパイクが行われている場合であってもＨＣ吸着材６５の温度は上記基準温度以下となっていることが多い。このため、リッチスパイクが行われている場合には、下流側周壁面上を通過する排気ガス中に含まれているＨＣがＨＣ吸着材６５に吸着せしめられる。
なお、リッチスパイクが行われている場合にはＨＣ吸着材６５の温度は必ずしも上記基準温度以下となっているとは限らない。しかしながら、例えＨＣ吸着材６５の温度が僅かながら上記基準温度よりも高くなっていたとしても、リッチスパイクが行われている場合には、ＨＣ吸着材６５上を通過する排気ガスはＨＣ過剰となっていることから、ＨＣ吸着材６５に吸着されているＨＣの離脱及び酸化は起こらず、むしろＨＣの吸着が行われる。
一方、リッチスパイクが行われていない場合、圧縮自着火式内燃機関においては流入排気ガスの空燃比はリーンとなっており、流入排気ガス中にはほとんどＨＣが含まれておらず且つ多量の酸素が含まれている。この場合、ＨＣ吸着材６５の温度が上記基準温度よりも高くなっていれば、ＨＣ吸着材６５からＨＣが離脱せしめられると共に離脱したＨＣが酸化能力の高い触媒貴金属により酸化せしめられる。
なお、この場合、ＨＣ吸着材６５の温度が僅かながら上記基準温度よりも低くなっていたとしても、ＨＣ吸着材６５からは僅かながらＨＣが離脱せしめられている。そして、ＨＣ吸着材６５上を通過する排気ガス中には多量の酸素が含まれていることから、ＨＣ吸着材６５から僅かながら離脱されたＨＣは触媒貴金属の強い酸化能力により酸化される。斯かる酸化反応によってフィルタ１１の下流側周壁面近傍の領域が昇温され、よってＨＣ吸着材６５が上記基準温度よりも高くまで昇温されてＨＣ吸着材６５からのＨＣの離脱が加速せしめられる。
このように、本実施形態によれば、リッチスパイクが行われている場合にはフィルタ１１から流出しようとする排気ガス中のＨＣがＨＣ吸着材６５に吸着せしめられると共に、リッチスパイクが行われていないときにはＨＣ吸着材６５に吸着されているＨＣがＨＣ吸着材６５から離脱せしめられると共に触媒貴金属によって酸化され、浄化される。従って、本実施形態によれば、リッチスパイクの実行中であっても実行後であってもフィルタ１１から排出される排気ガス中にはＨＣがほとんど含まれておらず、よってリッチスパイクの実行による排気エミッションの悪化を抑制することができる。
ところで、フィルタ１１の周壁面上にＨＣ吸着材６５を担持させる態様としては、フィルタ１１の下流側周壁面上に限らず、排気流入通路及び排気流出通路の全ての周壁面上にＨＣ吸着材を均一に分散させることも考えられる。ところが、ＨＣ吸着材を均一に分散させると、リッチスパイクを行っても排気流入通路の周壁面上のＨＣ吸着材にＨＣが吸着せしめられることにより排気流出通路内を流れる排気ガス中にはＨＣがほとんど含まれていないこととなり、よって排気流出通路の周壁面上に担持されたＮＯX吸蔵剤によって吸蔵されているＮＯXを還元することができなくなり、ＮＯXの浄化効率が低下してしまう。
本実施形態によれば、フィルタ１１を流れる排気ガスが最後に通過する周壁面上にＨＣ吸着材が担持されるため、ＨＣ吸着材はＮＯXの還元に寄与しなかったＨＣのみを吸着することとなる。したがって、ＮＯXの浄化効率を高く維持しつつ、ＨＣの流出を抑制することができる。
なお、図２（ｂ）に示したように、フィルタ１１の下流側周壁面はフィルタ１１の下流端から上流側に向かって長さＬに亘って延びている。この長さＬは、内燃機関全体によって要求されるＨＣ吸着能力及び酸化能力並びにフィルタ１１に起因する排気ガスの圧力損失に基づいて決定される。
すなわち、ゼオライト等のＨＣ吸着材６５には嵩があるため、ＨＣ吸着材６５が周壁面上に設けられると排気流出通路６１の断面積が小さくなる。このため、周壁面上にＨＣ吸着材６５が設けられ領域においては、排気ガスの流れに対する抵抗が大きいものとなる。そして、斯かる領域が広いほど、すなわち長さＬが長いほど排気ガスの流れに対する抵抗が大きくなり、よってフィルタ１１に起因する排気ガスの圧力損失が大きくなる。
一方、長さＬを短くし過ぎると、ＨＣ吸着材６５及び触媒貴金属が下流側周壁面上に十分に設けられなくなり、リッチスパイク時にフィルタ１１から流出しそうなＨＣを十分に吸着できなかったり、ＨＣ吸着材６５に吸着されていたＨＣを十分に酸化できなかったりして、フィルタ１１からのＨＣの流出を十分に抑制することができず、排気エミッションの悪化を招いてしまう。
したがって、長さＬは排気エミッションの悪化を招くことのない範囲内でできるだけ短いものとされるのが好ましい。これにより、フィルタ１１に起因する排気ガスの圧力損失の上昇を最小限に抑えながら排気エミッションを低いものとすることができる。しかしながら、長さＬは、斯かる長さに限られず、例えば、排気流出通路６１の長さ全体に亘って延びてもよい。
なお、上記実施形態では、下流側周壁面上と流入側・上流側周壁面上との触媒貴金属間で酸化能力に差をつけると共に下流側周壁面上のみにＨＣ吸着材６５を設けることとしているが、下流側周壁面上と流入側・上流側周壁面上との触媒貴金属間で酸化能力に差をつけなくてもよく、両周壁面上における触媒貴金属による酸化能力を等しいものとしつつ下流側周壁面のみにＨＣ吸着材６５を設けるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、下流側周壁面上と流入側・上流側周壁面上との触媒貴金属間で酸化能力に差をつけるために下流側周壁面上における単位面積当たりの触媒貴金属の担持量を流入側・上流側周壁面における単位面積当たりの触媒貴金属の担持量よりも多くしているが、両周壁面上の触媒貴金属間で酸化能力に差をつける方法は上記担持量を変える方法に限られず、例えば、下流側周壁面上に担持される触媒貴金属を流入側・上流側周壁面上に担持される触媒貴金属よりも酸化能力の高いものとしてもよい。
さらに、上記実施形態では、下流側周壁面上と流入側・上流側周壁面上との触媒貴金属間で酸化能力に差をつけると共に下流側周壁面上のみにＨＣ吸着材６５を設けることとしているが、下流側周壁面上に加えて流入側・上流側周壁面上にもＨＣ吸着材６５を設けて両周壁面上に均等にＨＣ吸着材６５を設けると共に下流側周壁面上と流入側・上流側周壁面上との触媒貴金属間で酸化能力に差をつけるようにしてもよい。
ここで、上記説明において、下流側周壁面上のみにＨＣ吸着材６５を担持させて、流入側・上流側周壁面にはＨＣ吸着材６５を担持させないような説明となっている。しかしながら、実際にはＮＯX吸蔵剤７１の担体として用いられているアルミナ等にも低いながらもＨＣ吸着能力があるため、この点を考慮して、「ＨＣ吸着材を担持させる」とはＨＣ吸着機能の強いＨＣ吸着材を担持させること、又はＨＣの吸着機能を発揮させることを目的として担持させることを意味するものとする。
また、ＨＣ吸着材６５は、ＮＯX吸蔵剤７１の担体として用いることも可能である。従って下流側周壁面上においては、上記ＮＯX吸蔵剤７１の担体として用いられるアルミナ等の代わりにＨＣ吸着材６５を設けてＨＣ吸着材６５にＮＯX吸蔵剤７１を担持させてもよい。或いは、下流側周壁面上において上記ＮＯX吸蔵剤７１の担体として用いられるアルミナ等の代わりにＨＣ吸着材６５を設けてＨＣ吸着材６５にＮＯX吸蔵剤７１を担持させなくてもよい。
図４は、図２に示したフィルタ１１の隔壁６４のＡで示した部分の拡大図である。図から分かるように、隔壁６４は、排気流入通路６０と排気流出通路６１との間に延びている。隔壁６４内には多数の細孔６６が形成されており、これら細孔６６を通って排気ガスが排気流入通路６０から排気流出通路６１へと流れる。
上述したように、ＨＣ吸着材６５は排気流出通路６１の下流側周壁面上に担持されるが、より具体的には、図４に示したように、隔壁６４内に形成される細孔６６の排気流出通路６１に面する出口（以下、「細孔出口」と称す）を塞ぐことのないように、排気流出通路６１の下流側周壁面上に設けられる。すなわち、細孔出口となっていない排気流出通路６１の下流側周壁面上にのみＨＣ吸着材６５が配置される。
このように、ＨＣ吸着材６５が隔壁６４の細孔出口を塞ぐことのないように設けられることにより、排気ガスは細孔６６を通って流れる際に大きな抵抗を受けない。このため、ＨＣ吸着材６５を排気流出通路６１の下流側周壁面上に設けたにも関わらず、フィルタ１１に起因する排気ガスの圧力損失を低く抑えることができる。
このようにＨＣ吸着材６５が隔壁６４の細孔出口を塞ぐことのないように設けられる構成を実現させるために、フィルタ１１は下記のような手順で製作される。すなわち、まず、フィルタ１１の排気流出通路６１の下流側周壁面上にＨＣ吸着材６５が塗布される。このとき、ＨＣ吸着材６５は隔壁６４の細孔出口を塞ぐように下流側周壁面全面に亘って塗布される。その後、ＨＣ吸着材６５がまだ硬化していない流動状態にあるときに、排気流入通路６０へ高圧の気体を流入させて、排気流入通路６０から隔壁６４の細孔を介して排気流出通路６１へ気体を流通させる。このとき、細孔出口を塞いでいるＨＣ吸着材６５は高圧の気体により吹き飛ばされ、その結果ＨＣ吸着材６５は隔壁６４の細孔出口を塞ぐことのないように設けられるようになる。
なお、上記説明では、フィルタ１１についてのみ説明しているが、本発明は、火花点火式内燃機関において用いられるＮＯX吸蔵還元機能を有する触媒コンバータについても利用可能である。
図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ触媒コンバータ７５の正面図及び断面側面図を示している。図５（ａ）及び（ｂ）に示したように触媒コンバータ７５はハニカム構造をなしており、上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路７６を有しており、排気ガスはこれら排気流通路７６間の隔壁７７をほとんど通過することなくこれら排気流通路７６に沿って流れる。
ＨＣ吸着材７８は、全ての排気流通路７６についてその下流端近傍の周壁面上に設けられ、上記実施形態と同様に斯かる周壁面上に担持される触媒貴金属の酸化能力は他の周壁面上に担持される触媒貴金属の酸化能力よりも高いものとなっている。また、ＨＣ吸着材７８が設けられる下流端近傍の周壁面は触媒コンバータ７５の下流端から上流側に向かって長さＬに亘って延びており、この長さＬは、内燃機関全体によって要求されるＨＣ吸着能力及び酸化能力並びに触媒コンバータ７５に起因する排気ガスの圧力損失に基づいて決定される。
斯かる構成の触媒コンバータ７５により、上記実施形態と同様に、リッチスパイクが行われている場合には排気ガス中のＨＣがＨＣ吸着材７８に吸着せしめられると共に、リッチスパイクが行われていないときにはＨＣ吸着材７８に吸着されているＨＣがＨＣ吸着材７８から離脱せしめられると共に触媒貴金属によって酸化され、浄化される。従って、本実施形態によれば、リッチスパイクの実行中であっても実行後であっても触媒コンバータ７５から排出される排気ガス中にはＨＣがほとんど含まれておらず、よってリッチスパイクの実行による排気エミッションの悪化を抑制することができる。
１１ パティキュレートフィルタ
６０ 排気流入通路
６１ 排気流出通路
６２、６３ 栓
６４ 隔壁
６５ ＨＣ吸着材
６０ 排気流入通路
６１ 排気流出通路
６２、６３ 栓
６４ 隔壁
６５ ＨＣ吸着材
Claims (10)
- 機関排気通路内に配置されると共に酸化能力を有する触媒が担持された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、
上記パティキュレートフィルタは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路のうち一部の排気流通路は下流端が閉じられている排気流入通路であり、残りの排気流通路は上流端が閉じられている排気流出通路であり、
上記排気流出通路の周壁面のうち少なくとも一部の周壁面上に担持された触媒による酸化能力は、両排気流通路の全ての周壁面から上記少なくとも一部の周壁面を除いた周壁面上に担持された触媒による酸化能力よりも高い、内燃機関の排気浄化装置。 - 上記少なくとも一部の周壁面は上記下流端の近傍に位置する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記少なくとも一部の周壁面上に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着材が設けられる、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記排気流入通路と排気流出通路との間には多数の細孔を備えた隔壁が設けられ、該隔壁が上記排気流入通路及び排気流出通路を画成し、上記ＨＣ吸着材は上記隔壁の細孔を塞ぐことのないように上記少なくとも一部の周壁面上に設けられる、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記両排気流通路の全ての周壁面から上記少なくとも一部の周壁面を除いた周壁面上に、流入排気ガスの空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯXを吸蔵すると共に流入排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比又はリッチの時に吸蔵されているＮＯXを離脱させるＮＯX吸蔵剤が設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気通路内に配置されると共に酸化能力を有する触媒が担持された触媒コンバータを具備する内燃機関の排気浄化装置において、
上記触媒コンバータは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、
上記排気流通路の周壁面のうち下流端近傍の周壁面上に担持された上記触媒による酸化能力は、上記排気流通路の周壁面のうち上記下流端近傍の周壁面以外の周壁面上に担持された上記触媒による酸化能力よりも高い、内燃機関の排気浄化装置。 - 機関排気通路内に配置され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、
上記パティキュレートフィルタは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、これら排気流通路のうち一部の排気流通路は下流端が閉じられている排気流入通路であり、残りの排気流通路は上流端が閉じられている排気流出通路であり、
上記排気流出通路の周壁面のうち少なくとも一部の周壁面上に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着材が設けられる、内燃機関の排気浄化装置。 - 上記少なくとも一部の周壁面は上記下流端の近傍に位置する、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記排気流入通路と排気流出通路との間には多数の細孔を備えた隔壁が設けられ、該隔壁が上記排気流入通路及び排気流出通路を画成し、上記ＨＣ吸着材は上記隔壁の細孔を塞ぐことのないように上記少なくとも一部の周壁面上に設けられる、請求項７又は８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気通路内に配置される触媒コンバータを具備する内燃機関の排気浄化装置において、
上記触媒コンバータは上流端と下流端との間で互いに平行に延びる複数の排気流通路を具備し、
上記排気流通路の周壁面のうち下流端近傍の周壁面上に排気ガス中の炭化水素を吸着するＨＣ吸着材が設けられる、内燃機関の排気浄化装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080305 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20090114 |