JP3641668B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気系に配置されるフィルタを備えた浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種の排気浄化装置として、例えば、特公平7−106290号公報に記載された構成のものがある。この構成においては、フィルタの壁上に白金族金属及びアルカリ土金属酸化物の混合物を含んでなる触媒を設けている。そして、以上に構成に基づき、微粒子(パティキュレート)を含むディーゼルエンジンの排気ガスが浄化されるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この種の排気浄化装置においては、フィルタに担持された微粒子除去用のアルカリ土金属酸化物が排気ガスの流れによって、排気上流側から排気下流側に移動する。これにより、フィルタ上の排気上流側におけるアルカリ土金属酸化物の担持量が次第に少なくなり、場合によっては、排気上流側においてアルカリ土類金属酸化物がほとんど担持されなくなって、排気を浄化するためにの領域が狭くなり、排気浄化に支障を来すおそれがあった。
【0004】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、フィルタの使用に伴い、その排気上流側における触媒の担持量が少なくなるのを抑制することができ、排気ガスを長期間にわたって良好に浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、機関排気系に配置されるフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタには不純物を補集するための補集壁を設け、同補集壁には同不純物を浄化するための触媒であって、排気流により移動しやすい触媒を担持する担持層を設け、同担持層では同触媒の担持量を補集壁の排気上流側ほど多くなるようにしたことを特徴とするものである。
【0006】
従って、請求項1に記載の発明によれば、フィルタの使用に伴い、排気ガスの流れによって補集壁上の不純物を浄化するための触媒であって、排気流により移動しやすい触媒が排気上流側から排気下流側に移動された場合でも、その排気上流側における同触媒の担持量が必要以上に少なくなるのを抑制することができる。言い換えれば、触媒担持層全体において、触媒の量を平均化させることができ、排気ガス浄化装置を長期間使用しても、触媒担持層全体で排気ガスを良好に浄化することができる。
【0007】
請求項2に記載の発明によれば、機関排気系に配置されるフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させるための逆転手段を備え、同フィルタには不純物を補集するための補集壁を設け、同補集壁には同不純物を浄化するための触媒であって、排気流により移動しやすい触媒を担持する担持層を設け、同担持層では同触媒の担持量を、補集壁の排気上流側と排気下流側との間の中間部ほど多くなるようにしたことを特徴とするものである。
【0008】
従って、逆転手段により、フィルタを流れる排気の方向が適宜に逆転される。
そして、この排気流の逆転により浄化機能の回復を図ることができる。このように、排気の流れる方向が正逆2方向であっても、不純物を浄化するための触媒であって、排気流により移動しやすい触媒の中間部における担持量が多くなっているため、排気流によって触媒担持層全体において触媒の量が平均化され、排気ガスを長期間にわたって触媒担持層全体で良好に浄化することができる。
【0009】
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、触媒は、微粒子を酸化除去可能な微粒子酸化除去剤である。
従って、パティキュレートを含む排気ガスを効果的に浄化でき、特にディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置として有効である。
【0010】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記微粒子酸化除去剤は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類及び遷移金属から選ばれた少なくとも1つの金属からなるものである
従って、これらの金属により、微粒子を含む排気ガスを好適に浄化でき、ディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置としてきわめて有効である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1及び図2に示すように、この実施形態の排気浄化装置は、図示しないディーゼルエンジンにおける排気マニホルドの下流側に排気管12を介して接続される切換部11と、フィルタ13と、フィルタ13の一方側と切換部11とを接続する第1接続部14と、フィルタ13の他方側と切換部11とを接続する第2接続部15と、切換部11の下流側の排気通路16とを具備している。
【0012】
前記切換部11はフィルタ13の排気上流側と排気下流側とを逆転させるための逆転手段を構成し、その内部には排気流れを切換えるための弁体11aを具備している。そして、図1に示すように、弁体11aが一方の切換位置に切り換え配置されたときには、切換部11内の上流側が第1接続部14に連通されるとともに、切換部11内の下流側が第2接続部15に連通される。この状態で、排気ガスが図1に矢印で示すように、フィルタ13の一方側から他方側に流れる。
【0013】
これに対して、図3に示すように、弁体11aが他方の切換位置に切り換え配置されたときには、切換部11内の上流側が第2接続部15に連通されるとともに、切換部11内の下流側が第1接続部14に連通される。この状態で、排気ガスが図3に矢印で示すように、フィルタ13の他方側から一方側に流れる。こうして、弁体11aを切り換えることにより、フィルタ13に流入する排気ガスの方向を逆転することができ、すなわち、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とを逆転することができる。
【0014】
なお、このフィルタ13の排気上流側と排気下流側との逆転操作は、例えば所定時間毎、車両の所定走行距離毎、フィルタ13の排気上流側と排気下流側との差圧が設定値以上になったとき、フィルタ13のパティキュレート堆積量が設定値以上になったとき等に行われるようになっている。
【0015】
このように、この排気浄化装置は、簡単な構成によって、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とを交互に逆転することが可能である。また、フィルタにおいては、排気ガスの流入を容易にするために大きな開口面積が必要とされるが、この排気浄化装置では、車両搭載性を悪化させることなく、大きな開口面積を有するフィルタを使用することができる。
【0016】
次に、前記フィルタ13の構造について説明する。図4〜図6に示すように、このフィルタ13は、正面がほぼ長円形状を有し、例えばコージライトのような多孔質セラミック材料から形成されたハニカム構造をなすウォールフロー型であって、多数の軸線方向に延びる隔壁19によって細分された多数の軸線方向空間を有している。隣接する2つの軸線方向空間において、一方の空間は排気下流側または上流側で栓20により閉鎖され、他方の空間は排気上流側または下流側で栓20により閉鎖されている。
【0017】
これにより、隣接する2つの軸線方向空間の一方が排気ガスの流入通路21になるとともに、他方が排気ガスの流出通路22になって、図5に実線矢印及び図6に示すように、排気ガスが多孔質をなす隔壁19の細孔17を通過することになる。この場合、排気ガス中の図示しないパティキュレーは、隔壁19の細孔17の大きさに比較して非常に小さいものであるが、図6(a)から明らかなように、隔壁19の排気上流側表面上及び隔壁19内の細孔17表面上に衝突して補集される。こうして、各隔壁19は、パティキュレートを補集するための補集壁として機能する。
【0018】
図7に示すように、前記フィルタ13の各隔壁19の両側表面上、及び各隔壁19内の細孔17表面上には、触媒担持層27が塗布されている。なお、図7は、理解を容易にするために、隔壁19の細孔を省略し、構成を単純化するとともに、触媒担持層27を厚く誇張して描いたものである。前記触媒担持層27には触媒としての貴金属触媒23及び微粒子酸化除去剤24がアルミナ25等を使用して担持されている。これにより、フィルタ13の各隔壁19で補集されたパティキュレートを酸化除去するようになっている。なお、微粒子酸化除去剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは周囲に過剰酸素が存在するときに酸素を取り込んで保持し、周囲の酸素濃度が低下したときに保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。
【0019】
前記貴金属触媒23としては、通常、白金Ptが用いられている。また、微粒子酸化除去剤24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のような希土類、及び遷移金属から選ばれた少なくとも1つの金属が用いられている。また微粒子酸化除去剤24は、NOX吸収剤としても機能する。従って、以後、微粒子酸化除去剤24がNOX吸収剤及びSOX吸収剤として機能する場合を説明する際には、これをNOX吸収剤24として説明する。
【0020】
このNOX吸収剤24は、近傍雰囲気中の空燃比がリーンのときにはNOXを吸収し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると、吸収したNOXを放出し、結果としてNOXの吸放出作用を行う。
【0021】
この吸放出作用は、図9に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。このメカニズムについて触媒担持層27の貴金属触媒23として白金Pt及び微粒子酸化除去材24としてバリウムBa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、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0022】
低温燃焼及び普通燃焼に係わらず、空燃比がリーンの状態で燃焼が行われている場合には、排気ガス中の酸素濃度は高く、このときには図9(a)に示されるように、これら酸素O2がO2 ―又はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 ―又はO2-と反応し、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。次いで、生成されたNO2の一部は白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、図9(a)に示されるように、硝酸イオンNO3 ―の形でNOX吸収剤24内に拡散する。このようにしてNOXがNOX吸収剤24内に吸収される。近傍雰囲気の酸素濃度が高い限り、白金Ptの表面でNO2が生成され、NOX吸収剤24のNOX吸収能力が飽和しない限り、NO2が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 ―が生成される。
【0023】
一方、近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると、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、かくしてNOX吸収剤24内の硝酸イオンNO3 ―がNO2の形でNOX吸収剤24から放出される。このときNOX吸収剤24から放出されたNOXは、図9(b)に示されるように、近傍雰囲気中に含まれるHC及びCO等と反応して還元される。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、NOX吸収剤24から次々にNO2が放出される。従って、近傍雰囲気の空燃比がリッチにされると、短時間のうちにNOX吸収剤24からNOXが放出され、しかも、この放出されたNOXが還元されるために、大気中にNOXが排出されることはない。
【0024】
NOX吸収剤24のNOXの吸収能力には限界があり、NOX吸収剤24のNOX吸収能力が飽和する前に、NOX吸収剤24からNOXを放出させる必要がある。すなわち、NOX吸収剤24に吸収されているNOXの量がNOX貯蔵可能量に達する以前にNOXを放出させ、還元浄化する再生の必要がある。そのためには、NOX吸収量をマップなどの手段を用いて推定し、それが許容量に達したときに、理論空燃比またはリッチ空燃比での低温燃焼を実施するか、または、図示しない燃料供給装置からフィルタ13の上流側に燃料を供給する。これに基づいて、フィルタ13の近傍雰囲気を理論空燃比またはリッチ空燃比とする。このため、前述のように、NOX吸収剤24からNOXが放出され、この放出されたNOXが還元され、NOX吸収剤24が再生される
また、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してSOXが生成される。SOXは、前記NOXと同様なメカニズムにより硫酸塩の形でNOX吸収剤24に吸収される。硫酸塩は、安定な物質であるために、近傍雰囲気をリッチ空燃比としても、フィルタから放出され難く、吸蔵量が徐々に増加する。NOX吸収剤24への硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であり、NOX吸収剤24における硫酸塩の吸蔵量が増加すれば(以下、SOX被毒と称する)、その分、硝酸塩の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くSOXを吸収することができなくなる。
【0025】
この場合、以下のようにして、NOX吸収剤24のSOX被毒が回復される。まず、SOX被毒の回復が必要な時期であるか否かが判断される。この判断は、消費燃料の積算量等に基づいて行われる。また、NOxの浄化処理において、フィルタの排気上流側の空燃比はリッチにされるが、前述の再生中においては、HC等の還元物質が、放出されたNOXの還元浄化に使用されるために、フィルタ13の下流側の空燃比は理論空燃比に近くなる。しかしながら、再生が完了すると、フィルタ13の下流側の空燃比は、上流側の空燃比とほぼ等しくリッチとなる。これを利用して再生時間を検出すれば、SOX被毒の回復時期が判断可能である。すなわち、SOX被毒が進行していると、再生時期におけるNOXの吸収量が少なくなっており、それがセンサ(図示しない)等により検出される。
【0026】
そして、これに基づき、フィルタ13に対して前記燃料供給装置によって燃料が供給される。こうして、フィルタ13には十分な酸素と燃料とが供給され、この燃料は、主にフィルタ13の排気入口部において、そこに担持されている触媒によって良好に燃焼を開始する。燃焼のよって得られた熱は、排気ガスの流れにともなって触媒の下流側に伝播し、従って、触媒の上流側に比べ下流側の温度が高くなる。
【0027】
供給された燃料によって、排気入口部を含めてフィルタ13全体を徐々に昇温することができる。SOX被毒の源である硝酸塩は安定な物質であるが、フィルタ13が600℃程度の高温とされれば、近傍雰囲気を理論空燃比又はリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることにより、SOXとして放出させることができる。従って、SOX被毒の回復には、フィルタ13全体を約600℃まで昇温する必要があるが、前述のように、燃焼によって得られた熱は、排気ガスの流れにともなって触媒の下流側に伝播し、触媒下流から放熱するようになるため、触媒温度を上昇させるのに長い時間が必要である。
【0028】
このため、一定時間毎に弁体11aを切り換えて、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とを逆転する。この所定時間は、例えば、数十秒ないし数分である。従って、弁体71aが切り替えられた時には、触媒下流側から放熱していた熱が逆からの排気ガスの流れで触媒の中央側に伝播するようになり、熱を捨てずに済むため、触媒の温度を短時間で上昇させることができる。
こうして、フィルタ13が600℃に昇温されれば、燃料が供給されることにより、フィルタ13の近傍雰囲気が結果として理論空燃比、又は好ましくはリッチ空燃比とされる。それにより、フィルタ13からSOXの放出が開始され、このSOXは還元浄化される。そして、所定の時間が経過すると、弁体71aが切り替えられ、フィルタ13の排気上流側と下流側とを逆転する。前述したように、触媒は、主に上流側の温度が低いため、上流側に吸蔵されたSOXが放出されにくいが、触媒の上流側と下流側とを逆転させることによって、放出されにくい上流側が今度は温度の高い下流側に位置することになり、触媒全体にわたってSOXを還元浄化することができる。こうして、NOX吸蔵還元触媒装置全体のSOX被毒回復を短時間で完了することができる。
【0029】
次いで、例えば、第一接続部72a及び第二接続部72bのそれぞれに空燃比センサ(図示しない)を設けて、これら空燃比センサの出力がほぼ等しいか否かが判断される。すなわち、フィルタ13の排気上流側の空燃比と排気下流側の空燃比とがほぼ等しいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、HC等の還元物質がSOXの還元浄化に使用されていないことであり、すなわち、SOX被毒回復は完了したこととなる。但し、弁体を切り換えた直後では、排気下流側の空燃比はリッチのままであり、空燃比の検出は、弁体を切り換える直前、又は、弁体の切り換えを停止して暫くしてから実施することが好ましい。
【0030】
次に、このような微粒子酸化除去剤24を担持するフィルタ13によって、補集されたパティキュレートがどのように酸化除去されるかについて、貴金属触媒23として白金Ptを用い、微粒子酸化除去剤24としてカリウムKを用いた場合を例にとって説明する。なお、貴金属触媒23として他の貴金属を用いたり、微粒子酸化除去剤24として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いた場合でも、同様なパティキュレート除去作用が行われる。
【0031】
さて、上述のように、ディーゼルエンジンにおいては、通常、空気過剰のもとで燃焼が行われるため、排気ガスには多量の過剰空気が含まれている。すなわち、吸気通路及び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、こ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。さらに、燃料中にはイオウSが含まれていて、このイオウSが燃焼室内で酸素と反応してSO2となるため、排気ガス中にはSO2が含まれている。従って、過剰酸素、NO及びSO2を含んだ排気ガスが、フィルタ13の排気上流側に流入することになる。
【0032】
上記のように、排気ガス中には多量の過剰空気が含まれているため、この排気ガスがフィルタ13の排気ガス接触面に接触すると、図10に示すように、これらの酸素O2がO2 ‐またはO2 ‐の形で、白金Ptよりなる貴金属触媒23の粒子の表面に付着する。一方、排気ガス中のNOは白金Ptよりなる貴金属触媒23の表面上でO2 ‐またはO2 ‐と反応して、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。
【0033】
次いで、生成されたNO2の一部は白金Ptよりなる貴金属触媒23上で酸化されつつ微粒子酸化除去剤24内に吸収され、カリウムKと結合しながら、図10に示すように、硝酸イオンNO3-の形で微粒子酸化除去剤24内に拡散し、硝酸カリウムKNO3を生成する。このようにして、本実施形態では、排気ガスに含まれる有害なNOXをフィルタ13に吸収して、大気中への放出量を大幅に減少させることができる。
【0034】
一方、上記のように排気ガス中にはSO2も含まれているため、このSO2も前記NOの場合と同様なメカニズムによって、微粒子酸化除去剤24内に吸収される。すなわち、前記のように酸素O2がO2-またはO2-の形で、白金Ptよりなる貴金属触媒23の粒子の表面に付着しており、排気ガス中のSO2は白金Ptよりなる貴金属触媒23の表面上で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よりなる貴金属触媒23上でさらに酸化されつつ微粒子酸化除去剤24内に吸収され、カリウムKと結合しながら、硫酸イオンSO42-の形で微粒子酸化除去剤24内に拡散し、硫酸カリウムK2SO4を生成する。このようにして、微粒子酸化除去剤24内には、硝酸カリウムKNO3及び硫酸カリウムK2SO4が生成される。
【0035】
さらに、排気ガス中のパティキュレートは、図11において符号26で示すように、フィルタ13に担持された微粒子酸化除去剤24の表面上に付着する。このとき、パティキュレート26と微粒子酸化除去剤24との接触面では酸素濃度が低下する。このため、この接触面の部分と、酸素濃度の高い微粒子酸化除去剤24内との間で濃度差が生じて、微粒子酸化除去剤24内の酸素がパティキュレート26と微粒子酸化除去剤24との接触面の部分に向けて移動しようとする。
【0036】
その結果、微粒子酸化除去剤24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がパティキュレート26と微粒子酸化除去剤24との接触面に向かって放出される。これと同時に、NOが微粒子酸化除去剤24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よりなる貴金属触媒23上において酸化されて、再び微粒子酸化除去剤24内に吸収される。
【0037】
このとき、微粒子酸化除去剤24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がパティキュレート26と微粒子酸化除去剤24との接触面に向かって放出される。これと同時に、SO2が微粒子酸化除去剤24から外部に放出される。外部に放出されたSO2は下流側の白金Ptよりなる貴金属触媒23上において酸化されて、再び微粒子酸化除去剤24内に吸収される。ただし、硫酸カリウムK2SO4は安定化しているため、硝酸カリウムKNO3に比較して活性酸素を放出しにくい。
【0038】
一方、パティキュレート26と微粒子酸化除去剤24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。このように、化合物から分解された酸素Oは高いエネルギーを有しており、極めて高い活性を有する。つまり、パティキュレート26と微粒子酸化除去剤24との接触面に向かう酸素は活性酸素Oとなっている。よって、この活性酸素Oがパティキュレート26と接触することにより、パティキュレート26は輝炎を発することなく酸化されることになる。
【0039】
全てのパティキュレート26を酸化するには活性酸素量が不足している場合には、図12(a)に示すように、パティキュレート26が微粒子酸化除去剤61上に付着すると、パティキュレート26の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかったパティキュレート部分63がフィルタ13の排気上流側の面上に残留する。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パティキュレート部分63が排気上流面上に残留し、その結果、図6(a)及び図12(b)に示されるように、フィルタ13の隔壁19の排気上流側の面が残留パティキュレート部分63によって覆われるようになる。
【0040】
このような残留パティキュレート部分63は、次第に酸化され難いカーボン質に変質する。また、排気上流面が残留パティキュレート部分63によって覆われると、白金PtによるNO、SO2の酸化作用および微粒子酸化除去剤61による活性酸素の放出作用が抑制される。それにより、時間をかければ、徐々に残留パティキュレート部分63を酸化させることができるが、図12(c)に示されるように、残留パティキュレート部分63の上に別のパティキュレート26が次から次へと堆積して、即ち、パティキュレート26が積層状に堆積すると、これらパティキュレート26は、白金Ptや微粒子酸化除去剤から距離を隔てているために、例え酸化され易いパティキュレート26であっても、活性酸素によって酸化されることはない。
【0041】
従って、このパティキュレート26上に、さらに別のパティキュレート26が次から次へと堆積する。すなわち、排出微粒子量が酸化除去可能微粒子量よりも多い状態が継続すると、フィルタ13上にはパティキュレート26が積層状に堆積してしまうことになる。
【0042】
そこで、車両の走行距離積算値が設定走行距離に達した場合には、走行距離積算値を0にリセットした後、弁体を切り換え、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とを逆転する。
【0043】
車両が設定走行距離を走行する間には、図6(a)に示すように、排気ガスが主に衝突する隔壁19の排気上流側表面及び細孔17内の排気ガス流対向面は、一方の捕集面としてパティキュレート26を衝突捕集し、微粒子酸化除去剤により酸化除去するが、この酸化除去が不十分となってパティキュレート26が残留することがある。この時点では、フィルタ13の排気抵抗は車両走行に悪影響を与えるほどではないが、さらにパティキュレート26が堆積すれば、機関出力の大幅な低下等の問題を発生する。この時点において、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とが逆転される。それにより、隔壁19の一方の捕集面に残留するパティキュレート部分63上には、さらに、パティキュレート26が堆積することはなく、一方の捕集面から放出される活性酸素によって残留パティキュレート部分63は徐々に酸化除去される。
【0044】
また、残留パティキュレート部分63は、逆方向の排気ガス流によって、図6(b)に示すように、容易に破壊されて細分化され、細孔17内を主に下流側へ流動する。
【0045】
それにより、細分化された多くのパティキュレートは、隔壁19の細孔17内に分散し、隔壁19の細孔17の内表面に担持させた微粒子酸化除去剤24と直接的に接触して酸化除去される機会が多くなる。こうして、隔壁19の細孔17内にも微粒子酸化除去剤24を担持させることで、残留パティキュレート部分63を格段に酸化除去させ易くなる。さらに、この酸化除去に加えて、排気ガスの逆流によって上流側となった隔壁19の他方の捕集面、すなわち、現在において排気ガスが主に衝突する隔壁19の排気上流側表面及び細孔17内の排気ガス流対向面(一方の捕集面とは反対側の関係となる)では、排気ガス中の新たなパティキュレート26が付着して微粒子酸化除去剤24から放出された活性酸素によって酸化除去される。
【0046】
これらの酸化除去の際に微粒子酸化除去剤24から放出された活性酸素の一部は、排気ガスと共に下流側へ移動し、排気ガスの逆流によっても依然として残留するパティキュレートを酸化除去する。
【0047】
すなわち、隔壁19の一方の捕集面の残留パティキュレート63には、この捕集面から放出される活性酸素だけでなく、排気ガスの逆流によって隔壁19の他方の捕集面でのパティキュレートの酸化除去に使用された残りの活性酸素が排気ガスと共に到来する。それにより、弁体11aの切り換え時点において、隔壁19の一方の捕集面にある程度パティキュレートが積層状に堆積していたとしても、排気ガスを逆流させれば、残留パティキュレート63上に堆積するパティキュレート26へも活性酸素が到来することに加えて、さらにパティキュレート26が堆積することはないために、堆積パティキュレート63は徐々に酸化除去され、次回の逆流までに、ある程度の時間があれば、この間で十分に酸化除去可能である。
【0048】
弁体11aの切り換えは、設定走行距離毎に行うようになっており、フィルタ13上の残留パティキュレート63が酸化され難いカーボン質に変質する以前に弁体11aが切り換えられる。また、多量のパティキュレート63が堆積する以前にパティキュレート63を酸化除去することは、多量の堆積パティキュレート63が一度に着火燃焼して多量の燃焼熱によりフィルタ13が溶損する等の問題を防止することにもなる。
【0049】
また、何らかの要因によって、弁体11aの切り換え時点でフィルタ13の隔壁19の一方の捕集面に多量のパティキュレートが堆積してしまったとしても、弁体11aが切り換えられれば、堆積パティキュレート63は逆方向の排気ガス流によって比較的容易に破壊及び細分化される。このために、隔壁19の細孔17内で酸化除去できなかった一部の細分化パティキュレートはフィルタ13から排出されることとなるが、フィルタ13の排気抵抗がさらに高まって車両走行に悪影響を与えることはなく、また、フィルタ13の他方の捕集面によって新たなパティキュレート26の捕集が可能となる。
【0050】
こうして、設定走行距離毎に弁体11aを切り換えれば、フィルタ13に多量のパティキュレートが堆積することを確実に防止することができる。このための弁体11aの切り換え時期は、設定走行距離毎に限定されることはなく、例えば、設定時間毎としても不定期としても良い。
【0051】
そして、この実施形態において、フィルタ13においては、各隔壁19上の微粒子酸化除去剤24の担持量が隔壁19の排気上流側ほど多くなるように構成されている。すなわち、この実施形態では、切換部11の弁体11aの切り換えにより、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とが逆転切換されるため、図8に実線で示すように、微粒子酸化除去剤24の担持量が、初期状態(製造直後)では、隔壁19の中間部において最大で、その中間部よりも排気下流側となる両端部側に向かって次第に少なくなるように構成されている。なお、図8では、理解を容易にするために、微粒子酸化除去剤24の担持量のカーブを単純化して直線的に描いたが、実際には、平坦な高原部と裾野部とを有するなだらかなカーブを描く。
【0052】
前記のように、微粒子酸化除去剤24の担持量が隔壁19の排気流方向中間部において多くなるようにするためには、例えば、以下のような製造工程を経る。すなわち、微粒子酸化除去剤24を混合した溶液またはスラリに対し、フィルタ13をその排気上流側または下流側の端部から中央側まで浸漬し、その排気上流側または下流側の端部から中央側まで前記溶液またはスラリを塗布する。次いで、フィルタ13を上下反転して、フィルタ13をその排気下流側または上流側の端部から中央側まで溶液またはスラリに浸漬し、その排気下流側または上流側の端部から中央側まで前記溶液またはスラリを塗布する。そして、この場合、前記中央側において、溶液またはスラリの塗布がラップするようにする。
【0053】
従って、フィルタ13の中央側における塗布量が排気上流側及び下流側のそれよりも多くなり、中央側の微粒子酸化除去剤24の担持量が多くなる。なお、白金Ptは、排気流によって移動することがないため、微粒子酸化除去剤24のような排気上流側の担持量を多くするようなことは不要である。
【0054】
以上の構成により、フィルタ13の使用に伴い、排気ガスの流れによって隔壁19上に担持された軟質金属の微粒子酸化除去剤24が排気上流側から排気下流側に移動された場合でも、微粒子酸化除去剤24の塗布量が、図8に実線で示すように、排気流方向において平均化するだけである。従って、排気上流側における微粒子酸化除去剤24の担持量が少なくなるのが抑制される。
【0055】
すなわち、排気ガスがフィルタ13の一方側から他方側へ流れるような切換状態の場合には、微粒子酸化除去剤24の担持量が隔壁19の他方側へ変移する。また、排気ガスがフィルタ13の他方側から一方側へ流れるように逆転した場合には、微粒子酸化除去剤24の担持量が隔壁19の一方側へ変移する。
【0056】
このように、フィルタ13の排気上流側と排気下流側との逆転切換に伴って、微粒子酸化除去剤24の担持量が隔壁19の一方側と他方側とに交互に変移することにより、隔壁19の中間部における微粒子酸化除去剤24の最大担持部分が徐々に取り崩されて、隔壁19の両端部側へ補充されることになる。従って、微粒子酸化除去剤24が、図8の実線の状態から、頂部が低くなるとともに、裾野が高くなるように、鎖線の状態になり、その高さが平均化する。このため、長期間にわたって、排気ガスの浄化機能を良好に維持できる。
【0057】
従って、この実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1) この内燃機関の排気浄化装置においては、機関排気系に配置されるフィルタ13が装備され、そのフィルタ13には隔壁19が設けられている。また、隔壁19には微粒子酸化除去剤24が担持され、その微粒子酸化除去剤24の担持量が隔壁19の排気上流側ほど多くなるように構成されている。
【0058】
このため、フィルタ13の使用に伴い、排気ガスの流れによって隔壁19上の微粒子酸化除去剤24が排気上流側から排気下流側に移動された場合でも、その排気上流側における微粒子酸化除去剤24の担持量が下流側よりも少なくなるのを抑制することができる。よって、排気ガスを長期間にわたって良好に酸化除去することができできる。
【0059】
(2) この内燃機関の排気浄化装置においては、前記微粒子酸化除去剤24が、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のような希土類、及び遷移金属から選ばれた少なくとも1つの金属からなっている。このため、前記金属のうちの少なくとも1つからなる微粒子酸化除去剤24の作用で、フィルタ13に補集されたパティキュレートを良好に酸化除去することができる。
【0060】
(3) この内燃機関の排気浄化装置においては、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とを逆転させるための切換部11が装備されている。そして、前記微粒子酸化除去剤24の担持量が、隔壁19の排気上流側と排気下流側との中間部ほど多くなるように構成されている。このため、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とを逆転させることにより、フィルタ13に残留したパティキュレートを良好に酸化除去することができて、フィルタ13の目詰まりを防止することができる。また、このフィルタ13の上下流側の逆転使用時に、隔壁19の排気上流側となる部分の微粒子酸化除去剤24の担持量が少なくなるのを抑制することができる。
【0061】
(変更例)
なお、この実施形態は上記の構成に限定されるものではなく、次のように変更してもよい。
【0062】
・ 前記排気浄化装置において、フィルタ13の排気上流側と排気下流側とが逆転されないように構成し、フィルタ13の隔壁19の排気下流側の端部から排気上流側の端部に向かって、微粒子酸化除去剤24の担持量が次第に多くなるように形成すること。
【0063】
・ 前記排気浄化装置において、フィルタ13に担持される貴金属触媒23及び微粒子酸化除去剤24として、前記実施形態で用いた金属とは別のものを用いること。
【0064】
・ この発明の排気浄化装置を、前記実施形態のディーゼルエンジンのほかに、ガソリンエンジンに適用すること。
このように構成した場合でも、上記実施形態とほぼ同様の作用及び効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を示す平面図。
【図2】 図1の排気浄化装置の正面図。
【図3】 図1の排気浄化装置の切換部の切換状態を示す部分平面図。
【図4】 フィルタの構成を示す側面図。
【図5】 同じく断面図。
【図6】 フィルタの隔壁の部分拡大断面図。
【図7】 フィルタの隔壁の断面図。
【図8】 隔壁上の微粒子酸化除去剤の担持量の変移を説明する図。
【図9】 NOXの吸放出作用を示す説明図。
【図10】 パティキュレートの酸化作用を説明する図。
【図11】 同じくパティキュレートの酸化作用を説明する図。
【図12】 パティキュレートの堆積作用を説明する図。
【符号の説明】
11…逆転手段を構成する切換部、11a…弁体、13…フィルタ、19…補集壁としての隔壁、24…微粒子酸化除去剤、26…パティキュレート。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a purification device including a filter disposed in an exhaust system of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
As this type of exhaust purification device, for example, there is a configuration described in Japanese Patent Publication No. 7-106290. In this configuration, a catalyst comprising a mixture of a platinum group metal and an alkaline earth metal oxide is provided on the filter wall. Based on the configuration described above, exhaust gas from a diesel engine containing fine particles (particulates) is purified.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this type of exhaust gas purification apparatus, the alkaline earth metal oxide for particulate removal carried on the filter moves from the exhaust upstream side to the exhaust downstream side by the flow of the exhaust gas. This gradually reduces the amount of alkaline earth metal oxide supported on the exhaust gas upstream side of the filter, and in some cases, almost no alkaline earth metal oxide is supported on the exhaust upstream side to purify the exhaust gas. There was a risk that this area would be narrowed and hindered exhaust purification.
[0004]
The present invention has been made paying attention to such problems existing in the prior art. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that can suppress a reduction in the amount of catalyst carried on the exhaust upstream side with the use of a filter and can purify exhaust gas well over a long period of time. It is to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the following, means for achieving the above object and its effects are described.
The invention according to claim 1 is an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine provided with a filter disposed in an engine exhaust system, wherein the filter is provided with a collecting wall for collecting impurities,sameOn the collecting wallA catalyst for purifying the impurities, which is easy to move by exhaust flowProviding a carrier layer,sameCarrier layerThen the same catalystThis is characterized in that the amount of the carbon is increased toward the exhaust upstream side of the collecting wall.
[0006]
Therefore, according to the first aspect of the present invention, as the filter is used, the flow of exhaust gas causes the flow on the collecting wall.Catalyst for purifying impurities that is easy to move by exhaust flowEven when the exhaust gas is moved from the exhaust upstream side to the exhaust downstream side,Same catalystIt is possible to suppress the amount of the supported amount from being reduced more than necessary. In other words, the amount of the catalyst can be averaged over the entire catalyst support layer, and even if the exhaust gas purification device is used for a long period of time, the exhaust gas can be purified well over the entire catalyst support layer.
[0007]
Invention of Claim 2According to,In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine provided with a filter disposed in an engine exhaust system,A reversing means for reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter;The filter is provided with a collecting wall for collecting impurities, and the collecting wall is provided with a catalyst layer for purifying the impurities, which carries a catalyst that is easily moved by the exhaust flow, sameCarrier layerThen the catalystLoading amountTheThe intermediate portion between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the collecting wall is characterized in that it is increased.
[0008]
Therefore, the direction of the exhaust gas flowing through the filter is appropriately reversed by the reversing means.
The purification function can be recovered by reversing the exhaust flow. In this way, even if the exhaust flow direction is forward and reverse,A catalyst for purifying impurities that is easy to move in the exhaust stream.Middle partInSince the supported amount is increased, the amount of the catalyst is averaged in the entire catalyst supporting layer by the exhaust flow, and the exhaust gas can be purified well in the entire catalyst supporting layer over a long period of time.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the catalyst is fine particle oxidation removal capable of oxidizing and removing fine particles.With agentis there.
Therefore, exhaust gas containing particulates can be effectively purified, and is particularly effective as an exhaust gas purification device for diesel engines.
[0010]
The invention according to claim 4 is the invention according to
Therefore, the exhaust gas containing fine particles can be suitably purified by these metals, and is extremely effective as an exhaust gas purification device for a diesel engine.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 and 2, the exhaust emission control device of this embodiment includes a
[0012]
The
[0013]
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the
[0014]
The reverse operation between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the
[0015]
As described above, the exhaust gas purification apparatus can alternately reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the
[0016]
Next, the structure of the
[0017]
Thus, one of the two adjacent axial spaces becomes the exhaust
[0018]
As shown in FIG. 7, a
[0019]
As the
[0020]
This NOXThe absorbent 24 is NO when the air-fuel ratio in the nearby atmosphere is lean.XWhen the air-fuel ratio becomes stoichiometric or rich, the absorbed NOXAs a result, NOXPerforms absorption and release action.
[0021]
This absorption / release action is considered to be performed by the mechanism shown in FIG. This mechanism will be described by taking as an example the case where platinum Pt is supported as the
[0022]
Regardless of low-temperature combustion or normal combustion, when combustion is performed with the air-fuel ratio being lean, the oxygen concentration in the exhaust gas is high. At this time, as shown in FIG. O2Is O2 -Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 -Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). Then the generated NO2As shown in FIG. 9 (a), a part of is absorbed in the absorbent while being oxidized on platinum Pt and combined with barium oxide BaO.Three -NO in the form ofXIt diffuses into the absorbent 24. In this way NOXIs NOXAbsorbed in the absorbent 24. As long as the oxygen concentration in the ambient atmosphere is high, NO on the surface of platinum Pt2Is generated and NOXNO in absorbent 24XUnless the absorption capacity is saturated, NO2Is absorbed into the absorbent and nitrate ion NO.Three -Is generated.
[0023]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is made rich, the oxygen concentration decreases, and as a result, NO on the surface of platinum Pt2The production amount of is reduced. NO2When the amount of produced decreases, the reaction proceeds in the reverse direction (NOThree -→ NO2) And thus NOXNitrate ion NO in absorbent 24Three -Is NO2NO in the form ofXReleased from the absorbent 24. NO at this timeXNO released from the absorbent 24XAs shown in FIG. 9 (b), it is reduced by reacting with HC, CO, etc. contained in the nearby atmosphere. In this way, NO on the surface of platinum Pt.2NO when no longer existsXNO from the absorbent 24 one after another2Is released. Therefore, when the air-fuel ratio of the nearby atmosphere is made rich, NO is quickly reached.XNO from absorbent 24XIs released, and this released NOXIs reduced in the atmosphere because NO is reducedXWill not be discharged.
[0024]
NOXNO in absorbent 24XThere is a limit to the absorption capacity of NO, NOXNO in absorbent 24XBefore the absorption capacity is saturated, NOXNO from absorbent 24XNeed to be released. That is, NOXNO absorbed by the absorbent 24XAmount of NOXNO before reaching storage capacityXNeed to be regenerated to reduce and purify. To that end, NOXThe amount of absorption is estimated using a means such as a map, and when it reaches an allowable amount, low-temperature combustion at the stoichiometric or rich air-fuel ratio is performed, or a
In addition, the fuel of the internal combustion engine contains sulfur, and the SOXIs generated. SOXIs said NOXNO in the form of sulfate by the same mechanism asXAbsorbed by the absorbent 24. Since sulfate is a stable substance, it is difficult to be released from the filter even if the surrounding atmosphere has a rich air-fuel ratio, and the occlusion amount gradually increases. NOXThe amount of nitrate or sulfate that can be stored in the absorbent 24 is finite, NO.XIf the storage amount of sulfate in the absorbent 24 increases (hereinafter referred to as SOX(Referred to as poisoning), the amount of nitrate that can be stored decreases, and finally SOXCannot absorb.
[0025]
In this case, NOXSO of absorbent 24XPoisoning is restored. First, SOXIt is determined whether it is time to recover from poisoning. This determination is made based on the accumulated amount of consumed fuel or the like. Further, in the NOx purification process, the air-fuel ratio on the upstream side of the exhaust of the filter is made rich. During the above regeneration, reducing substances such as HC are released from the released NO.XTherefore, the air-fuel ratio on the downstream side of the
[0026]
Based on this, fuel is supplied to the
[0027]
With the supplied fuel, the temperature of the
[0028]
For this reason, the
Thus, if the temperature of the
[0029]
Next, for example, an air-fuel ratio sensor (not shown) is provided in each of the first connection portion 72a and the second connection portion 72b, and it is determined whether or not the outputs of these air-fuel ratio sensors are substantially equal. That is, it is determined whether or not the air-fuel ratio on the exhaust upstream side of the
[0030]
Next, regarding how the collected particulates are oxidized and removed by the
[0031]
As described above, in a diesel engine, combustion is usually performed under an excess of air, so that the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, when the ratio of air and fuel supplied to the intake passage and the combustion chamber is referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas, the air-fuel ratio is lean. Further, since NO is generated in the combustion chamber, the exhaust gas contains NO. Further, the fuel contains sulfur S, which reacts with oxygen in the combustion chamber to react with SO.2Therefore, in the exhaust gas, SO2It is included. Therefore, excess oxygen, NO and SO2The exhaust gas containing the gas flows into the exhaust upstream side of the
[0032]
As described above, since a large amount of excess air is contained in the exhaust gas, when this exhaust gas comes into contact with the exhaust gas contact surface of the
[0033]
Then the generated NO2Part of the catalyst is oxidized on the noble
[0034]
On the other hand, as described above, the exhaust gas contains SO.2Is included, so this SO2Is absorbed into the fine particle
The generated SO is thenThreeA part of the catalyst is further oxidized on the
[0035]
Further, the particulates in the exhaust gas adhere to the surface of the particulate
[0036]
As a result, potassium nitrate KNO formed in the particulate
[0037]
At this time, potassium sulfate K formed in the particulate
[0038]
On the other hand, the oxygen O toward the contact surface between the particulate 26 and the particulate
[0039]
When the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the
[0040]
Such residual
[0041]
Therefore,
[0042]
Therefore, when the vehicle travel distance integrated value reaches the set travel distance, the travel distance integrated value is reset to 0, and then the valve body is switched to reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the
[0043]
While the vehicle travels the set travel distance, as shown in FIG. 6 (a), the exhaust upstream surface of the
[0044]
Further, the
[0045]
As a result, many of the finely divided particulates are dispersed in the
[0046]
A part of the active oxygen released from the particulate
[0047]
That is, the
[0048]
Switching of the
[0049]
Further, even if a large amount of particulates accumulates on one collecting surface of the
[0050]
Thus, if the
[0051]
In this embodiment, the
[0052]
As described above, in order to increase the carrying amount of the particulate
[0053]
Therefore, the coating amount on the center side of the
[0054]
With the above-described configuration, even when the soft metal
[0055]
That is, in the switching state where the exhaust gas flows from one side of the
[0056]
As described above, the amount of the particulate
[0057]
Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In this exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, a
[0058]
For this reason, even when the particulate
[0059]
(2) In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, the particulate
[0060]
(3) The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine is equipped with a switching
[0061]
(Example of change)
In addition, this embodiment is not limited to said structure, You may change as follows.
[0062]
In the exhaust gas purification apparatus, the exhaust gas upstream side and the exhaust gas downstream side of the
[0063]
In the exhaust emission control device, the
[0064]
-The exhaust emission control device of the present invention is applied to a gasoline engine in addition to the diesel engine of the embodiment.
Even when configured in this manner, substantially the same operations and effects as those of the above-described embodiment can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine.
FIG. 2 is a front view of the exhaust emission control device of FIG.
3 is a partial plan view showing a switching state of a switching unit of the exhaust gas purification apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a side view showing a configuration of a filter.
FIG. 5 is a sectional view of the same.
FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view of a partition wall of a filter.
FIG. 7 is a sectional view of a filter partition wall.
FIG. 8 is a diagram for explaining the change in the amount of the particulate oxidation removing agent carried on the partition walls.
FIG. 9 NOXExplanatory drawing which shows the absorption-and-release effect | action.
FIG. 10 is a diagram for explaining the oxidizing action of particulates.
FIG. 11 is also a diagram for explaining the oxidizing action of particulates.
FIG. 12 is a view for explaining the particulate deposition action.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記フィルタには不純物を補集するための補集壁を設け、同補集壁には同不純物を浄化するための触媒であって、排気流により移動しやすい触媒を担持する担持層を設け、同担持層では同触媒の担持量を補集壁の排気上流側ほど多くなるようにしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having a filter disposed in an engine exhaust system,
Wherein the filter is provided with collecting wall for collecting the impurities, the same collecting walls a catalyst for purifying the impurity, provided the carrier layer carrying the movement tends catalyst by the exhaust flow, An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, wherein the carrying amount of the catalyst is increased in the carrying layer toward the exhaust upstream side of the collecting wall.
前記フィルタの排気上流側と排気下流側とを逆転させるための逆転手段を備え、同フィルタには不純物を補集するための補集壁を設け、同補集壁には同不純物を浄化するための触媒であって、排気流により移動しやすい触媒を担持する担持層を設け、同担持層では同触媒の担持量を、補集壁の排気上流側と排気下流側との間の中間部ほど多くなるようにしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having a filter disposed in an engine exhaust system,
Comprising a reversing means for reversing the exhaust downstream side and the exhaust upstream side of the filter, the same filter is provided with collecting wall for collecting the impurities, because the same collecting walls to purify the impurity of a catalyst, the carrier layer carrying the movement tends catalyst by the exhaust flow is provided, the carrying amount of the same supported layer the catalyst, as an intermediate portion between the exhaust upstream side of the collecting wall and the exhaust downstream side exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine you characterized in that as increases.
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