JP3632620B2

JP3632620B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3632620B2
Application number: JP2001179326A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤; 俊明田中; 好一郎中谷; 晃見上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: JP2002371824A; DE60200979T2; DE60200979D1; EP1267047B1; EP1267047A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気中の粒子状物質を除去する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に搭載される内燃機関では、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）や炭化水素（ＨＣ）等の有害ガス成分を浄化して排気エミッションの向上を図ることが要求されている。特に、ディーゼルエンジンの場合は、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）や炭化水素（ＨＣ）に加えて、煤やＳＯＦ（ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎ）等の所謂粒子状物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を低減することも重要である。
【０００３】
このような要求に対し、従来では、特許第２７２２９８７号公報に記載されたような「内燃機関の排気浄化装置」が提案されている。この公報に記載された内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを設けるとともに、排気の空燃比がリーンのときは排気中のＮＯ_Ｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低く且つ還元剤が存在するときは吸着していたＮＯ_Ｘを放出且つ還元するＮＯ_Ｘ吸収剤を前記パティキュレートフィルタと熱伝達可能な位置に配置して構成され、ＮＯ_Ｘ吸収剤上で還元剤が燃焼する際に発生する熱を利用してパティキュレートフィルタを昇温させ、該パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼及び除去しようとするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、パティキュレートフィルタでは、アッシュと呼ばれる化合物の凝集によりパティキュレートフィルタ内の排気流路が閉塞され、排気の圧力損失が大きくなるという問題がある。
【０００５】
アッシュの生成メカニズムについては明らかにされていないが、内燃機関の燃料や潤滑油には、種々の添加剤や不純物が含まれており、これらの成分が内燃機関の燃焼室あるいはパティキュレートフィルタ上で結合し、種々の化合物を形成して、これらの化合物がパティキュレートフィルタ上で凝集することで生成されると考えられる。
【０００６】
例えば、内燃機関の燃料や潤滑油には、硫黄Ｓ成分、燐Ｐ成分、カルシウムＣａ、マグネシウムＭｇ等の成分が含有されており、燃焼室内においてブローバイガス（潤滑油）中に含まれる成分と混合気（燃料）中に含まれる成分とが結合し、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４、燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２、あるいは硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）等の化合物が生成され、これらの化合物がパティキュレートフィルタ上に粒子状物質（ＰＭ）とともに捕集され、アッシュとして凝集される。
【０００７】
また、硫黄Ｓは煤に吸収され易いという特性を有することから、パティキュレートフィルタ上に煤とともに吸収された硫黄Ｓが排気中のカルシウムＣａやマグネシウムＭｇと結合して、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４や硫酸マグネシウムＭｇＳＯ_４等の化合物を生成し、これらの化合物がアッシュとして凝集される。
【０００８】
そこで粒状物質を捕集する捕集材を設け、この捕集材には内燃機関の燃料およびまたは潤滑油に含有される所定成分と同等以下の電気陰性度を有する金属を担持したものが特開２００１−１２２２９号公報において開示されている。
【０００９】
このように前記捕集材に担持した潤滑油に含有される所定成分と同等以下の電気陰性度を有する金属、好ましくは前記所定成分より電気陰性度が低く、かつイオン化傾向が強い金属を担持することで、被結合成分は前記所定成分ではなくて前記金属と結合するので、前記アッシュの形成が抑制される。
【００１０】
しかし上記の捕集材を用いても、アッシュ成分としての燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２によるパティキュレートフィルタの目詰まりを防止することは困難であることが判明した。
【００１１】
その理由は、通常、燐Ｐと硫黄Ｓは互いに結合しにくいが、ここでは上述のように燐Ｐと最も結合しやすいカルシウムＣａが硫酸カルシウムＣａＳＯ_４となっているため、燐Ｐと硫黄Ｓがパティキュレートフィルタにおいて凝集して補足されることになる。するとパティキュレートフィルタでは燐酸カルシウムＣａ_３（ＰＯ_４）_２による目詰まりが生じることになる。
【００１２】
特に排ガスが高温になる領域で連続的に走行した場合、白金Ｐｔ等の貴金属を担持した触媒機能をもつパティキュレートフィルタの表面に、燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２の針状の結晶が形成され、被浄化物と貴金属との間に距離が生じて触媒機能が半減したり、また触媒の寿命が短くなる場合がある。
【００１３】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、内燃機関から排出される排気に含まれる粒子状物質を捕集する捕集材を備えた排気浄化装置において、アッシュの生成、特に燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２によるものを抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。
【００１５】
すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関から排出される排気に含まれる粒子状物質を捕集する捕集材を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記捕集材の上流に、当該捕集材とは別体のアッシュトラップを設け、当該アッシュトラップは、排ガス中の燐Ｐを吸着させることを特徴とする。
【００１６】
このように構成された排気浄化装置では、捕集材は、内燃機関から排出された排気に含まれる粒子状物質を捕集する。ここで捕集材とは、例えば粒状物質を捕集する通常のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）であっても、または、これにＮＯｘ吸収剤等の触媒物質を担持したものであってもよい。
【００１７】
そして排気中には、内燃機関の燃料およびまたは潤滑油に元々含まれていた成分が存在し、それらの成分のうちの所定成分が捕集材上で他の成分（以下、被結合成分と称する）と結合してアッシュを形成する可能性がある。しかし前記アッシュトラップを捕集材の上流に設けると、燐Ｐはこれに吸着されるので、その下流の捕集材でアッシュを形成することを抑制できる。
【００１８】
このアッシュトラップにはイオン化傾向の強い塩基性金属を担持させることができる。このようにすれば燐Ｐを燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２等の形で安定して吸着することが可能となる。
【００１９】
ここで塩基性金属とは、例えばリチウムＬｉ、ナトリウムＮａ、カリウムＫ、ルビジウムＲｂ、セシウムＣｓ、フランシウムＦｒ、ベリリウムＢｅ、マグネシウムＭｇ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒ、バリウムＢａ、ラジウムＲａ、
ランタンＬａ等の電気陰性度を有する金属、好ましくは前記所定成分より電気陰性度が低く、かつイオン化傾向の強い金属である。燐Ｐはこれらの金属と安定して結合するので、下流の捕集材での燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２によるアッシュの形成が抑制される。
【００２０】
また前記捕集材では、内燃機関の燃料または潤滑油に含有される所定成分と同等以下の電気陰性度を有する金属を担持させることが好ましい。このようにすれば、硫黄Ｓが排ガス中のカルシウムＣａやマグネシウムＭｇと結合して、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４や硫酸マグネシウムＭｇＳＯ_４等の化合物からなるアッシュとして捕集材にて凝集することを抑制できる。
【００２１】
なお、捕集材に担持する前記金属と硫黄等の所定成分との化合物は、前記アッシュと同様に捕集材上で凝集するおそれがあるので、これらの化合物は粒子状物質の浄化条件と同様の条件下で分解または除去されるように、担持する前記金属を選択することが好ましい。
【００２２】
また前記アッシュトラップは、酸化性能が付与されたものとすることができる。このように酸化性能を付与すると燐とカルシウムが結合した燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２の凝集が促進されるので、ここで燐をトラップしやすくなる。
【００２３】
本発明によれば、排ガス中の燐がカルシウムと結合してを捕集材に凝集されアッシュを形成することを回避するため、この捕集材よりも前段に、燐と結合しやすい電気陰性度を有する塩基性金属を配したアッシュトラップを設け、このアッシュトラップに燐が吸着されるようにした。よって捕集材において燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２によるアッシュが形成されることを抑制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置について図面に基づいて説明する。
ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両用ディーゼルエンジンに適用した態様について説明する。
【００２５】
図１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。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、更に吸気ダクト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に示される例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００２６】
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の出口はパティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３を有する排気浄化装置に連結される。
【００２７】
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と称す）通路２４を介してお互いに連結され、ＥＧＲ通路２４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１に示される例では機関冷却水が冷却装置２６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２８】
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。
【００２９】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピューターからなり、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、このパティキュレートフィルタ２２の床温を検出するための床温センサ３９が取付けられ、この床温センサ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。
【００３０】
またアクセスペダル４０には、この踏込み量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変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート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、燃料ポンプ２８、および後述するアクチュエータ７２に接続される。
＜排気浄化装置の構造＞
排気浄化装置は、図１、図２に示したように、排気タービン２１の出口に排気管７０が接続されている。この排気管７０から分岐して、パティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３におけるフィルタ２２の一方の面と、他方の面とにそれぞれ接続する第１の排気通路７６と、第２の排気通路７７とが設けられている。さらに、第１の排気通路７６と第２の排気通路７７の分岐点からパティキュレートフィルタ２２を通過せずに、そのまま排気ガスを排出するバイパス通路７３とが設けられている。
【００３１】
そして、第１の排気通路７６と第２の排気通路７７の分岐点には、排気切換弁７１が設けられている。排気切換弁７１は、アクチュエータ７２によって駆動され、第１の排気通路７６を選択してフィルタ２２の一方側から排気ガスを流す第１の流れ（順流）と、第２の排気通路７７を選択してフィルタ２２の他方側から排気ガスを流す第２の流れ（逆流）とを、交互に切換える。
【００３２】
また前記第１の排気通路７６と第２の排気通路７７のそれぞれには、パティキュレートフィルタ２２の前段にアッシュトラップ８０、８１が設けられている。このアッシュトラップ８０、８１には、イオン化傾向の強い塩基性金属が担持されており、排ガス中の燐Ｐがこれに吸着する。
【００３３】
ここで塩基性金属とは、例えばリチウムＬｉ、ナトリウムＮａ、カリウムＫ、ルビジウムＲｂ、セシウムＣｓ、フランシウムＦｒ、ベリリウムＢｅ、マグネシウムＭｇ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒ、バリウムＢａ、ラジウムＲａ、ランタンＬａのうちの一つ、または２以上を組み合わせを含む。
【００３４】
さらに、前記第１の排気通路７７には、フィルタ２２に流入する排気ガス中に、燃料を噴射する還元剤添加手段としての燃料添加ノズル８３が設けられている。この燃料添加ノズル８３は、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３４上に実現される制御手段により制御される。
【００３５】
ここで、フィルタ２２を収容するケーシング２３は、バイパス通路７３を形成する排気管７０の真上に位置するよう配置され、そのケーシング２３の両側に排気管７０から分岐した第１の排気通路７６と第２の排気通路７７が接続される形となっている。そして、ケーシング２３内のフィルタ２２は、排気ガスの通過方向を長さ方向とした場合、長さ方向に直交する幅方向の長さが、長さ方向の長さより長くなっている。このような構成とすることで、フィルタ２２を内包するケーシング２３からなる排気浄化装置の車両への搭載スペースを省スペース化することができる。
【００３６】
一方、前記アクチュエータ７２は、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３４上に実現される制御手段７５によって駆動制御されるもので、出力ポート３６からの制御信号により駆動される。また、アクチュエータ７２は、内燃機関の駆動に伴って形成される負圧により駆動されるもので、負圧が加えられないときに第１の排気通路７６を選択する位置（順流位置）に弁体を制御し、第１の負圧が加えられたとき弁体を中立位置に制御し、第１の負圧よりも強い第２の負圧が加えられたとき第２の排気通路７７を選択する位置（逆流位置）に弁体を制御する。
【００３７】
前記弁体が図２の破線で示す順流位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を第１の排気通路７６に接続するとともに、第２の排気通路７７をバイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０→第１の排気通路７６→フィルタ２２→第２の排気通路７７→バイパス通路７３の順に流れて、大気に放出される。
【００３８】
弁体が、図２の実線で示す逆流位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を第２の排気通路７７に接続するとともに、第１の排気通路７６をバイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０→第２の排気通路７７→フィルタ２２→第１の排気通路７６→バイパス通路７３の順に流れて、大気に放出される。
【００３９】
弁体が、図２の一点鎖線で示すように、排気管７０の軸線に平行となった中立位置にあるとき、排気切換弁７１は、排気管７０を直接バイパス通路７３に接続するので、排気ガスは、排気管７０からフィルタ２２を通過しないでバイパス通路７３に流れて、大気に放出される。
【００４０】
弁体の切換えにより、順流・逆流を繰り返すことで、煤などの微粒子がフィルタ２２の基材内を動き回るので、微粒子の酸化を促進し、よって、微粒子の浄化を効率よく行うことができる。
【００４１】
図３（Ａ）は、フィルタ２２に一方向からのみ排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの一方の面にのみ蓄積して動かず、排気ガスの圧損上昇の原因となるだけでなく、微粒子の浄化を妨げる。
【００４２】
図３（Ｂ）は、フィルタ２２に双方向から排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの両面で順流方向と逆流方向に撹乱されるので、フィルタ２２の両面で、あるいは、基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点を利用して微粒子の酸化を促進することができ、フィルタ２２に微粒子が蓄積するのをより少なくすることができる。よって、排気ガスの圧損上昇を避けることができる。
＜アッシュトラップの構造＞
アッシュトラップ８０、８１は、粒状物を捕集可能な構造であれば特に形状、構造は限定されないが、なるべく表面積が広いものが好ましい。
【００４３】
例えばハニカム構造をなし、多孔質の物質を基材とし、上流側の端部が開放し、かつ下流側の端部が閉塞された第１流路と、上流側の端部が閉塞されかつ下流側の端部が開放された第２流路とを交互にハニカム状に配置して構成された、いわゆるウォールフロー型とすることができる。これら第１流路は下流端が栓により閉塞された排気ガス流入通路となり、第２流路は上流端が栓により閉塞された排気ガス流出通路となって、これらは薄肉の隔壁を介して交互に配置される。
【００４４】
このアッシュトラップ８０、８１に排ガス中の燐Ｐが吸着する。実際には燐ＰはカルシウムＣａと結合して燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２の形でアッシュトラップ８０、８１に凝集する。したがって、その下流のパティキュレートフィルタ２２において、燐ＰがカルシウムＣａと結合して燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２によるアッシュが形成されることを抑制できる。
【００４５】
またアッシュトラップ８０、８１は、切り替え流路の前段、すなわち排気切替弁７１の前段に設けてもよい。またこのアッシュトラップをターボ装置１４の前段にも設けることにより、排ガス中の燐Ｐを二重にトラップできる。すなわち、アッシュトラップは温度の高い排気マニホールドに近い位置と、第１の排気通路７６または第２の排気通路７７中の位置の双方にあり、きわめて温度差が大きな領域でそれぞれ排ガス中の燐Ｐの吸着ができるために、トラップ効率が向上する。
＜フィルタの構造＞
図４にパティキュレートフィルタ２２の構造を示す。なお、図４において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２２の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２２の側面断面図を示している。図４（Ａ）および（Ｂ）に示される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を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２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。なお、図４（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。従って、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４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００４６】
パティキュレートフィルタ２２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、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図４（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００４７】
本発明による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５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４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、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込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が坦持されている。
【００４８】
前記貴金属触媒としては白金Ｐｔを用いることができる。また、前記活性酸素放出剤は、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシム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、およびセリアＣｅなどの遷移金属から選ばれた少くとも一つから構成することができる。
【００４９】
なお、セリアＣｅなどの遷移金属（酸素吸蔵剤）は、酸素濃度によってその価数が変わる。よって次のように酸素濃度変化を繰り返すことで活性酸素を多く放出する。
【００５０】
ＣｅＯ_２（リーン） ←→ ＣｅＯ_３（リッチ）
また、活性酸素放出剤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又はアルカリ土類金属、即ちカリウム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。
【００５１】
この実施の形態では、アルミナなどの担体上に、貴金属触媒として白金Ｐｔと、活性酸素放出剤としてカリウムＫが坦持された場合を例にとって説明する。
＜フィルタによる微粒子の連続酸化処理＞
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説明する。なお、この機能は、活性酸素放出剤として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、および遷移金属を用いても同様なメカニズムで微粒子除去作用が行われる。
【００５２】
図１に示されるような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、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、図１に示されるような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５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、燃料中にはイオウＳが含まれており、このイオウＳは燃焼室５内で酸素と反応してＳＯ_２となる。従って排気ガス中にはＳＯ_２が含まれている。従って過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ_２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。
【００５３】
図５（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面および隔壁５４内の細孔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を含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００５４】
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）に示されるようにこれら酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−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Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。次いで生成されたＮＯ_２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５（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、一部の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻は硝酸カリウムＫＮＯ_３を生成する。
【００５５】
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ＳＯ_２もＮＯと同様なメカニズムによって活性酸素放出剤６１内に吸収される。即ち、上述したように酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ_２は白金Ｐｔの表面でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応してＳＯ_３となる。
【００５６】
次いで生成されたＳＯ_３の一部は白金Ｐｔ上で更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ＳＯ_４ ^２−の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４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ＫＮＯ_３および硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４が生成される。
【００５７】
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、従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ユレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているときに、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５（Ｂ）において６２で示される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。
【００５８】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤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６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、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。
【００５９】
また酸素過剰状態において酸素と排ガス中のＮＯｘを吸蔵するときにも、酸素との反応過程で活性酸素が生じて微粒子６２を酸化させるものと考えられる。この詳細なメカニズムは不明だが、およそ次のようなものと推定される。
【００６０】
前述のように排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。次いで生成されたＮＯ_２の一部はＮＯ３となって白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００６１】
前記ＮＯ_２の一部は触媒で分解され、活性酸素を放出する。すなわち、
２ＮＯ２→ＮＯ＋Ｏ^＊→ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ＋Ｏ^＊→
のように、酸化、分解を繰り返しながら、活性酸素を放出する。
【００６２】
一方、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Ｋ_２ＳＯ_４もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ_２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、ＳＯ_２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ＳＯ_２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Ｋ_２ＳＯ_４は安定しているため、硝酸カリウムＫＮＯ_３に比べ、活性酸素は放出しづらい。
【００６３】
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ＫＮＯ_３や硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４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。従って微粒子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。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（数分から数十分程度）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。従って微粒子６２はパティキュレートフィルタ２２上に堆積することがない。
【００６４】
従来のようにパテイキュレートフイルタ２２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、従って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２２の温度をを高温に維持しなければならない。
【００６５】
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。即ち、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。従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。
【００６６】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温で行われる。従ってパティキュレートフィルタ２２の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ２２が劣化する危険性はほとんどない。
【００６７】
さらに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しないので微粒子の燃えカスであるアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ２２が目詰まりする危険性が少なくなる。
【００６８】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムＣａＳＯ_４によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、従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ＳＯ_３が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムＣａＳＯ_４が生成され、この硫酸カルシウムＣａＳＯ_４によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【００６９】
しかしながらこの場合、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又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ＳＯ_３はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ_２ＳＯ_４を形成し、カルシウムＣａはＳＯ_３と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。従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。従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又はアルカリ土類金属、即ちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、バリウムＢａを用いることが好ましいことになる。
【００７０】
更に、パティキュレートフィルタ２２上でアッシュの代わりに形成される硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_４）は、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）に比して凝集度合が低いため、パティキュレートフィルタ２２の雰囲気温度を高温にするか、あるいはパティキュレートフィルタ２２を還元雰囲気にすることにより容易に分解及び除去することが可能である。
【００７１】
ところで、実際には全ての運転状態において排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少くすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ２２の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。機関始動直後におけるように排出微粒子量Ｍの方が酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなるとパティキュレートフィルタ２２上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。
【００７２】
このように運転状況によっては排出微粒子量Ｍを酸化除去可能微粒子量Ｇよりも増大して、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。
【００７３】
この堆積した微粒子を酸化除去するために、排気管７０に配置された切換弁７１を切換える。切換弁７１が切り換えられると、パティキュレートフィルタ２２の排気上流側と排気下流側とが逆転し、切り換え前にパティキュレートフィルタ２２の排気下流側であった部分において、微粒子が活性酸素放出剤６１の表面に付着して活性酸素Ｏが放出され、この微粒子が酸化除去される。この放出される活性酸素Ｏの一部は、排気ガスと共にパティキュレートフィルタ２２の排気下流側へ移動し、ここに堆積する微粒子を酸化除去する。ここでは前述したように、微粒子はパティキュレートフィルタ２２の両面で順流方向と逆流方向に撹乱され、パティキュレートフィルタ２２の両面で、あるいは基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点に出合い酸化される。
【００７４】
このようにして酸化されなかった微粒子がパティキュレートフィルタ２２に堆積し始めているときに、このパティキュレートフィルタ２２の排気上流側と下流側とを逆転することにより、パティキュレートフィルタ２２から微粒子を完全に酸化除去することができる。
【００７５】
またパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が堆積した場合は、排気ガスの一部又は全体の空燃比を一時的にリッチにすることにより、堆積した微粒子が輝炎を発することなく酸化せしめられる。排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられ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、これら一気に放出された活性酸素Ｏによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく短時間（数分から数十分）で燃焼除去せしめられる。
（他の実施の形態）
上記の実施の形態では、捕集材としてＮＯｘ浄化と微粒子の酸化が可能なものを示したが、排気中の煤や未燃燃料成分などの粒子状物質を捕集するフィルタであれば上記のものに限ることなく、どのようなものであってもよい。
【００７６】
また排気系の上流に、さらにダミーコンバータのようなものを設けることで、排ガスの流れが乱れる場所や最初の部材に燐が吸着しやすい性質を利用して、燐をトラップするようにしてもよい。
【００７７】
また、本実施の形態では、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関としてディーゼルエンジンを例に挙げて説明したが、ガソリンエンジンでも構わないことは勿論である。
【００７８】
ガソリンエンジンの場合は、ディーゼルエンジンに比べ、燃料中に含まれる硫黄Ｓ成分が少ないが、逆に燐Ｐ成分が多いため、パティキュレートフィルタ上では、カルシウムＣａと燐Ｐ成分とが結合して燐酸カルシウムＣａ_３（ＳＯ_４）_２が生成されやすい。
【００７９】
本発明によれば上述したように、カルシウムＣａと同等以下の電気陰性度を有し且つイオン化傾向が強い金属（例えば、カリウムＫ）をパティキュレートフィルタの上流に設けたアッシュトラップに担持させることにより、カルシウムＣａと燐Ｐ成分との結合に比して、カリウムＫ等と燐Ｐ成分との結合が優先され、アッシュたるＣａ_３（ＳＯ_４）_２の生成が抑制されるので、ガソリンエンジンにおいてきわめて有効である。
【００８０】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、捕集材の上流に、塩基性金属が担持されたアッシュトラップを設けたので、前記所定成分と結合した際にアッシュを形成する被結合成分は、前記所定成分に比して前記金属と優先的に結合するため、アッシュの形成が抑制されることになる。
【００８１】
従って、本発明によれば、排気中の粒子状物質を捕集する捕集材を備えた排気浄化装置において、アッシュの形成を抑制することが可能となり、アッシュによる捕集材の目詰まりが防止され、捕集材の機能が損なわれることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図２】パティキュレートフィルタを搭載した排気浄化装置を示す図
【図３】（Ａ）はフィルタ基材に微粒子が堆積する状態を示すイメージ図、（Ｂ）は排気ガスの順流、逆流による微粒子の撹乱状態を示すイメージ図
【図４】パティキュレートフィルタを示す図
【図５】微粒子の酸化作用を示す概念図
【符号の説明】
２２…パティキュレートフィルタ
３０…ＥＣＵ
６１…活性酸素放出剤
７１…排気切換弁（排気切換手段）
７５…制御手段
８０、８１…アッシュトラップ
８２…燃料添加ノズル（還元剤添加手段）

Claims

内燃機関から排出される排気に含まれる粒子状物質を捕集する捕集材を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記捕集材の上流に、当該捕集材とは別体のアッシュトラップを設け、
当該アッシュトラップは、塩基性金属が担持されており、排ガス中の燐（Ｐ）を吸着させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記アッシュトラップは、酸化性能を付与されたものである請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記捕集材は、内燃機関の燃料または潤滑油に含有される所定成分と同等以下の電気陰性度を有する金属を担持してなることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。