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、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、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、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 claim 3, wherein the fine particle oxidation removing agent is made of at least one metal selected from alkali metals, alkaline earth metals, rare earths and transition metals.
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 switching unit 11, a filter 13, and a filter 13 that are connected to the downstream side of an exhaust manifold in a diesel engine (not shown) via an exhaust pipe 12. A first connection part 14 that connects one side of the filter and the switching part 11, a second connection part 15 that connects the other side of the filter 13 and the switching part 11, and an exhaust passage 16 downstream of the switching part 11. It has.
[0012]
The switching unit 11 constitutes a reversing means for reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13 and has a valve body 11a for switching the exhaust flow therein. As shown in FIG. 1, when the valve body 11a is switched to one switching position, the upstream side in the switching unit 11 communicates with the first connection unit 14 and the downstream side in the switching unit 11 is the first side. 2 is communicated with the connection 15. In this state, the exhaust gas flows from one side of the filter 13 to the other side as indicated by an arrow in FIG.
[0013]
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the valve body 11a is switched to the other switching position, the upstream side in the switching unit 11 communicates with the second connection unit 15 and The downstream side communicates with the first connection portion 14. In this state, the exhaust gas flows from the other side of the filter 13 to one side as indicated by an arrow in FIG. Thus, by switching the valve body 11a, the direction of the exhaust gas flowing into the filter 13 can be reversed, that is, the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13 can be reversed.
[0014]
The reverse operation between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13 is performed, for example, every predetermined time, every predetermined travel distance of the vehicle, or the differential pressure between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13 exceeds a set value. This is performed when the particulate accumulation amount of the filter 13 exceeds a set value.
[0015]
As described above, the exhaust gas purification apparatus can alternately reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13 with a simple configuration. Further, in the filter, a large opening area is required for facilitating the inflow of exhaust gas. However, in this exhaust purification device, a filter having a large opening area is used without deteriorating the vehicle mountability. be able to.
[0016]
Next, the structure of the filter 13 will be described. As shown in FIGS. 4 to 6, the filter 13 is a wall flow type having a substantially oval front surface and a honeycomb structure made of a porous ceramic material such as cordierite, for example. It has a large number of axial spaces subdivided by a large number of partition walls 19 extending in the axial direction. In two adjacent axial spaces, one space is closed by the plug 20 on the exhaust downstream side or upstream side, and the other space is closed by the plug 20 on the exhaust upstream side or downstream side.
[0017]
Thus, one of the two adjacent axial spaces becomes the exhaust gas inflow passage 21 and the other becomes the exhaust gas outflow passage 22, and as shown in FIG. Will pass through the pores 17 of the partition walls 19 which are porous. In this case, the particulates (not shown) in the exhaust gas are very small compared to the size of the pores 17 of the partition wall 19, but as is clear from FIG. 6A, the exhaust upstream side of the partition wall 19. It collides on the surface and on the surface of the pore 17 in the partition wall 19 and is collected. Thus, each partition wall 19 functions as a collecting wall for collecting particulates.
[0018]
As shown in FIG. 7, a catalyst support layer 27 is applied on both side surfaces of each partition wall 19 of the filter 13 and on the surface of the pores 17 in each partition wall 19. In FIG. 7, for easy understanding, the pores of the partition walls 19 are omitted, the configuration is simplified, and the catalyst support layer 27 is drawn exaggerated thickly. A precious metal catalyst 23 and a particulate oxidation removing agent 24 as a catalyst are supported on the catalyst supporting layer 27 using alumina 25 or the like. Thereby, the particulates collected by each partition wall 19 of the filter 13 are oxidized and removed. The fine particle oxidation removing agent promotes the oxidation of particulates by releasing active oxygen. Preferably, oxygen is taken in and retained when excess oxygen is present in the surroundings, and the oxygen concentration in the surroundings is increased. Oxygen retained when it is lowered is released in the form of active oxygen.
[0019]
As the noble metal catalyst 23, platinum Pt is usually used. Further, as the fine particle oxidation removing agent 24, alkaline metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, alkaline earth metal such as barium Ba, calcium Ca, strontium Sr, lanthanum La, yttrium At least one metal selected from rare earths such as Y and transition metals is used. Also, the particulate oxidation removing agent 24 is NO.XAlso functions as an absorbent. Therefore, thereafter, the particulate oxidation removing agent 24 is NO.XAbsorbent and SOXWhen explaining the case of functioning as an absorbent,XThe absorbent 24 will be described.
[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 noble metal catalyst 23 of the catalyst support layer 27 and barium Ba is supported as the fine particle oxidation removing material 24, but other noble metals, alkali metals, alkaline earths, and rare earths are used. Is the same mechanism.
[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 filter 13 is connected from a fuel supply device (not shown). Supply fuel upstream. Based on this, the atmosphere in the vicinity of the filter 13 is set to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio. For this reason, as mentioned above, NOXNO from absorbent 24XIs released, and this released NOXIs reduced and NOXThe absorbent 24 is regenerated
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 filter 13 is close to the stoichiometric air-fuel ratio. However, when the regeneration is completed, the air-fuel ratio on the downstream side of the filter 13 becomes almost equal to the rich air-fuel ratio on the upstream side. If playback time is detected using this, SOXThe recovery time of poisoning can be determined. That is, SOXIf poisoning is in progress, NO during the regeneration periodXIs absorbed by a sensor (not shown) or the like.
[0026]
Based on this, fuel is supplied to the filter 13 by the fuel supply device. Thus, sufficient oxygen and fuel are supplied to the filter 13, and this fuel starts to burn well by the catalyst carried therein mainly at the exhaust inlet of the filter 13. The heat obtained by the combustion propagates to the downstream side of the catalyst along with the flow of the exhaust gas, and therefore the temperature on the downstream side becomes higher than the upstream side of the catalyst.
[0027]
With the supplied fuel, the temperature of the entire filter 13 including the exhaust inlet can be gradually raised. SOXNitrate, which is a source of poisoning, is a stable substance. However, if the filter 13 is at a high temperature of about 600 ° C., the oxygen concentration is lowered by setting the ambient atmosphere as the theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, thereby reducing SOXCan be released as Therefore, SOXIn order to recover poisoning, it is necessary to raise the temperature of the entire filter 13 to about 600 ° C. However, as described above, the heat obtained by combustion propagates downstream of the catalyst along with the flow of exhaust gas. Since heat is released from the downstream side of the catalyst, it takes a long time to raise the catalyst temperature.
[0028]
For this reason, the valve body 11a is switched at regular intervals to reverse the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13. This predetermined time is, for example, several tens of seconds to several minutes. Therefore, when the valve element 71a is switched, the heat radiated from the downstream side of the catalyst is propagated to the center side of the catalyst by the flow of exhaust gas from the reverse side, so that it is not necessary to throw away the heat. The temperature can be raised in a short time.
Thus, if the temperature of the filter 13 is raised to 600 ° C., the fuel is supplied, so that the atmosphere in the vicinity of the filter 13 results in the theoretical air fuel ratio, or preferably the rich air fuel ratio. As a result, SO 13XRelease of this SOXIs reduced and purified. And when predetermined time passes, the valve body 71a will be switched and the exhaust upstream side and downstream side of the filter 13 will be reversed. As described above, since the temperature of the catalyst is mainly low on the upstream side, the SO stored in the upstream side is mainly used.XHowever, by reversing the upstream side and the downstream side of the catalyst, the upstream side where it is difficult to release is now located on the downstream side where the temperature is high.XCan be reduced and purified. Thus, NOXSO of the entire storage reduction catalyst unitXThe poisoning recovery can be completed in a short time.
[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 filter 13 is substantially equal to the air-fuel ratio on the exhaust downstream side. When this judgment is affirmed, reducing substances such as HCXThat is not used for reduction purification of SO, ie SOXThe poisoning recovery is complete. However, immediately after switching the valve body, the air-fuel ratio on the exhaust downstream side remains rich, and detection of the air-fuel ratio is performed immediately before switching the valve body or after a while after switching the valve body. It is preferable to do.
[0030]
Next, regarding how the collected particulates are oxidized and removed by the filter 13 carrying the particulate oxidation removing agent 24, platinum Pt is used as the noble metal catalyst 23, and the particulate oxidation removing agent 24 is used. A case where potassium K is used will be described as an example. Even when another noble metal is used as the noble metal catalyst 23, or when another alkali metal, alkaline earth metal, rare earth, or transition metal is used as the fine particle oxidation removing agent 24, the same particulate removing action is performed.
[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 filter 13.
[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 filter 13, as shown in FIG.2Is O2 -Or O2 -And adheres to the surface of the particles of the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt. On the other hand, NO in the exhaust gas is O on the surface of the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt.2 -Or O2 -Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2).
[0033]
Then the generated NO2Part of the catalyst is oxidized on the noble metal removal agent 24 while being oxidized on the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt, and combined with potassium K, as shown in FIG.3-In the form of particulate oxidation remover 24 and potassium nitrate KNOThreeIs generated. Thus, in this embodiment, harmful NO contained in the exhaust gas.XCan be absorbed by the filter 13 and the amount released into the atmosphere can be greatly reduced.
[0034]
On the other hand, as described above, the exhaust gas contains SO.2Is included, so this SO2Is absorbed into the fine particle oxidation removing agent 24 by the same mechanism as in the case of NO. That is, as described above, oxygen O2Is O2-Or O2-And adheres to the surface of the particles of the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt, and the SO in the exhaust gas.2Is O on the surface of the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt.2-Or O2-Reacts with SOThreeIt becomes.
The generated SO is thenThreeA part of the catalyst is further oxidized on the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt and absorbed into the fine particle oxidation remover 24, and is combined with potassium K, and sulfate ions SO4.2-In the form of particulate oxidation remover 24 and potassium sulfate K2SOFourIs generated. In this way, in the fine particle oxidation removing agent 24, potassium nitrate KNO.ThreeAnd potassium sulfate K2SOFourIs generated.
[0035]
Further, the particulates in the exhaust gas adhere to the surface of the particulate oxidation removing agent 24 carried on the filter 13 as indicated by reference numeral 26 in FIG. At this time, the oxygen concentration decreases at the contact surface between the particulate 26 and the fine particle oxidation removing agent 24. For this reason, a concentration difference occurs between the contact surface portion and the fine particle oxidation remover 24 having a high oxygen concentration, so that the oxygen in the fine particle oxidation remover 24 is changed between the particulate 26 and the fine particle oxidation remover 24. Try to move towards the part of the contact surface.
[0036]
As a result, potassium nitrate KNO formed in the particulate oxidation removing agent 24ThreeIs decomposed into potassium K, oxygen O, and NO, and oxygen O is released toward the contact surface between the particulate 26 and the particulate oxidation removing agent 24. At the same time, NO is released from the particulate oxidation removing agent 24 to the outside. The NO released to the outside is oxidized on the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt on the downstream side and is again absorbed in the fine particle oxidation removing agent 24.
[0037]
At this time, potassium sulfate K formed in the particulate oxidation removing agent 242SO4 is also potassium K, oxygen O, SO2The oxygen O is released toward the contact surface between the particulate 26 and the particulate oxidation removing agent 24. At the same time, SO2Is released to the outside from the particulate oxidation removing agent 24. SO released to the outside2Is oxidized on the noble metal catalyst 23 made of platinum Pt on the downstream side, and is again absorbed into the fine particle oxidation removing agent 24. However, potassium sulfate K2SOFourIs stabilized, potassium nitrate KNOThreeIt is difficult to release active oxygen compared to.
[0038]
On the other hand, the oxygen O toward the contact surface between the particulate 26 and the particulate oxidation removing agent 24 is potassium nitrate KNO.ThreeAnd potassium sulfate K2SOFourIt is oxygen decomposed from a compound such as Thus, oxygen O decomposed from the compound has high energy and has extremely high activity. That is, the oxygen directed toward the contact surface between the particulate 26 and the particulate oxidation removing agent 24 is active oxygen O. Therefore, when this active oxygen O comes into contact with the particulates 26, the particulates 26 are oxidized without generating a luminous flame.
[0039]
When the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the particulates 26, as shown in FIG. 12A, when the particulates 26 adhere on the fine particle oxidation removing agent 61, the particulates 26 Particulate portions 63 that are only partially oxidized and not sufficiently oxidized remain on the exhaust upstream surface of the filter 13. Next, when the state where the amount of active oxygen is insufficient continues, the particulate portion 63 that has not been oxidized from one to the next remains on the exhaust upstream surface, and as a result, FIG. 6 (a) and FIG. 12 (b). As shown in FIG. 5, the exhaust upstream surface of the partition wall 19 of the filter 13 is covered with the residual particulate portion 63.
[0040]
Such residual particulate portion 63 gradually changes to a carbonaceous material that is hardly oxidized. Further, when the exhaust upstream surface is covered with the residual particulate portion 63, NO and SO by platinum Pt.2And the active oxygen release action by the fine particle oxidation removing agent 61 are suppressed. As a result, the residual particulate portion 63 can be gradually oxidized over time. However, as shown in FIG. 12C, another particulate 26 is formed on the residual particulate portion 63 from the next. When the particles are deposited next, that is, when the particulates 26 are deposited in a laminated form, these particulates 26 are, for example, the particulates 26 that are easily oxidized because they are separated from the platinum Pt and the particulate oxidation removing agent. However, it is not oxidized by active oxygen.
[0041]
Therefore, further particulates 26 are deposited on the particulates 26 one after another. That is, if the state in which the amount of discharged fine particles is larger than the amount of fine particles that can be removed by oxidation continues, the particulates 26 will be deposited on the filter 13 in a laminated form.
[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 filter 13.
[0043]
While the vehicle travels the set travel distance, as shown in FIG. 6 (a), the exhaust upstream surface of the partition wall 19 where the exhaust gas mainly collides and the exhaust gas flow facing surface in the pore 17 are on one side. Particulates 26 are collided and collected as a collecting surface of the particles and oxidized and removed by the fine particle oxidation removing agent. However, the oxidation removal may be insufficient and the particulates 26 may remain. At this time, the exhaust resistance of the filter 13 does not adversely affect the vehicle running, but if the particulates 26 are further accumulated, problems such as a significant decrease in engine output occur. At this time, the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13 are reversed. Thereby, the particulates 26 are not further deposited on the particulate portion 63 remaining on one of the collecting surfaces of the partition wall 19, and the remaining particulate portion is not activated by the active oxygen released from one of the collecting surfaces. 63 is gradually oxidized and removed.
[0044]
Further, the residual particulate portion 63 is easily broken and subdivided by the exhaust gas flow in the reverse direction as shown in FIG. 6B, and flows mainly in the downstream side in the pores 17.
[0045]
As a result, many of the finely divided particulates are dispersed in the pores 17 of the partition walls 19 and directly contact with the fine particle oxidation removing agent 24 carried on the inner surfaces of the pores 17 of the partition walls 19 to be oxidized. There are more opportunities to be removed. In this way, by supporting the fine particle oxidation removing agent 24 in the pores 17 of the partition walls 19, the residual particulate portion 63 can be remarkably easily oxidized and removed. Further, in addition to this oxidation removal, the other collecting surface of the partition wall 19 that has become upstream due to the backflow of the exhaust gas, that is, the exhaust upstream surface and the pores 17 of the partition wall 19 where the exhaust gas mainly collides at present is present. In the exhaust gas flow facing surface (in the relationship opposite to one of the collecting surfaces), new particulates 26 in the exhaust gas adhere and are oxidized by the active oxygen released from the particulate oxidation removing agent 24. Removed.
[0046]
A part of the active oxygen released from the particulate oxidation removing agent 24 during the oxidation removal moves to the downstream side together with the exhaust gas, and the remaining particulates are oxidized and removed by the backflow of the exhaust gas.
[0047]
That is, the residual particulates 63 on one collection surface of the partition wall 19 include not only active oxygen released from the collection surface but also particulates on the other collection surface of the partition wall 19 due to the backflow of exhaust gas. The remaining active oxygen used for oxidation removal comes with the exhaust gas. As a result, even if particulates have accumulated to some extent on one collecting surface of the partition wall 19 at the time of switching of the valve body 11a, if exhaust gas flows backward, it will accumulate on the residual particulates 63. In addition to the arrival of active oxygen at the particulates 26, the particulates 26 are not further deposited, so that the deposited particulates 63 are gradually oxidized and removed, and there is a certain amount of time until the next backflow. In this case, it can be sufficiently removed by oxidation.
[0048]
Switching of the valve body 11a is performed at every set travel distance, and the valve body 11a is switched before the residual particulate 63 on the filter 13 is changed to a carbonaceous material that is hardly oxidized. Further, the oxidation removal of the particulate 63 before the large amount of particulate 63 is deposited prevents the problem that the large amount of accumulated particulate 63 is ignited and burned at a time and the filter 13 is melted by a large amount of combustion heat. Will also do.
[0049]
Further, even if a large amount of particulates accumulates on one collecting surface of the partition wall 19 of the filter 13 at the time of switching of the valve body 11a due to some factor, if the valve body 11a is switched, the accumulated particulate 63 Are relatively easily broken and subdivided by the exhaust gas flow in the opposite direction. For this reason, some of the finely divided particulates that could not be oxidized and removed within the pores 17 of the partition wall 19 are discharged from the filter 13, but the exhaust resistance of the filter 13 is further increased, which adversely affects vehicle travel. The new particulates 26 can be collected by the other collecting surface of the filter 13.
[0050]
Thus, if the valve body 11a is switched for each set travel distance, it is possible to reliably prevent a large amount of particulates from being accumulated on the filter 13. The switching timing of the valve body 11a for this purpose is not limited for each set travel distance, and for example, may be set every set time or irregularly.
[0051]
In this embodiment, the filter 13 is configured such that the amount of the particulate oxidation removing agent 24 carried on each partition wall 19 increases toward the exhaust upstream side of the partition wall 19. That is, in this embodiment, since the upstream side and the downstream side of the exhaust of the filter 13 are switched in reverse by the switching of the valve body 11a of the switching unit 11, as shown by the solid line in FIG. In the initial state (immediately after manufacture), the amount of the gas is maximum at the intermediate portion of the partition wall 19 and gradually decreases toward both end portions on the exhaust downstream side of the intermediate portion. In FIG. 8, for ease of understanding, the curve of the loading amount of the particulate oxidation removing agent 24 is simplified and drawn linearly, but actually, it has a flat plateau and a skirt. A simple curve.
[0052]
As described above, in order to increase the carrying amount of the particulate oxidation removing agent 24 in the intermediate portion of the partition wall 19 in the exhaust flow direction, for example, the following manufacturing process is performed. That is, the filter 13 is immersed in the solution or slurry mixed with the particulate oxidation removing agent 24 from the exhaust upstream or downstream end to the central side, and from the exhaust upstream or downstream end to the central side. Apply the solution or slurry. Next, the filter 13 is turned upside down, and the filter 13 is immersed in a solution or slurry from the downstream or upstream end of the exhaust to the center, and the solution from the downstream or upstream end to the center of the solution. Or apply slurry. In this case, the application of the solution or slurry wraps at the center side.
[0053]
Therefore, the coating amount on the center side of the filter 13 is larger than that on the exhaust upstream side and downstream side, and the amount of the particulate oxidation removal agent 24 on the center side is increased. In addition, since platinum Pt does not move by the exhaust flow, it is not necessary to increase the carrying amount on the exhaust upstream side like the particulate oxidation removing agent 24.
[0054]
With the above-described configuration, even when the soft metal particulate removal agent 24 supported on the partition wall 19 is moved from the exhaust upstream side to the exhaust downstream side by the flow of the exhaust gas with the use of the filter 13, the particulate oxidation removal is performed. The application amount of the agent 24 is only averaged in the exhaust flow direction as shown by a solid line in FIG. Accordingly, it is possible to suppress the amount of the particulate oxidation removing agent 24 carried on the upstream side of the exhaust from being reduced.
[0055]
That is, in the switching state where the exhaust gas flows from one side of the filter 13 to the other side, the carrying amount of the particulate oxidation removing agent 24 changes to the other side of the partition wall 19. Further, when the exhaust gas is reversed so as to flow from the other side of the filter 13 to the one side, the amount of the particulate oxidation removing agent 24 changes to one side of the partition wall 19.
[0056]
As described above, the amount of the particulate oxidation removing agent 24 is alternately changed between one side and the other side of the partition wall 19 in accordance with the reverse switching between the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13. The maximum carrying portion of the particulate oxidation removing agent 24 in the intermediate portion is gradually broken down and replenished to both end portions of the partition wall 19. Therefore, the fine particle oxidation removing agent 24 becomes a chain line state from the state of the solid line in FIG. 8 so that the top portion is lowered and the base is increased, and the height is averaged. For this reason, the exhaust gas purification function can be satisfactorily maintained over a long period of time.
[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 filter 13 disposed in the engine exhaust system is provided, and the filter 13 is provided with a partition wall 19. Further, the particulate oxidation removing agent 24 is supported on the partition wall 19, and the amount of the particulate oxidation removing agent 24 supported is increased toward the exhaust upstream side of the partition wall 19.
[0058]
For this reason, even when the particulate oxidation removing agent 24 on the partition wall 19 is moved from the exhaust upstream side to the exhaust downstream side by the flow of the exhaust gas with the use of the filter 13, the particulate oxidation removing agent 24 on the upstream side of the exhaust gas is moved. It is possible to suppress the loading amount from being smaller than that on the downstream side. Therefore, the exhaust gas can be satisfactorily removed by oxidation over a long period of time.
[0059]
(2) In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, the particulate oxidation removing agent 24 is made of alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr. And at least one metal selected from alkaline earth metals such as lanthanum La, rare earths such as yttrium Y, and transition metals. For this reason, the particulates collected in the filter 13 can be satisfactorily oxidized and removed by the action of the particulate oxidation removing agent 24 made of at least one of the metals.
[0060]
(3) The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine is equipped with a switching unit 11 for reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13. The particulate oxidation removing agent 24 is carried in an amount that is increased in the intermediate portion between the upstream side and the downstream side of the partition wall 19. For this reason, by reversing the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the filter 13, it is possible to satisfactorily remove particulates remaining in the filter 13 and prevent the filter 13 from being clogged. Further, it is possible to suppress a decrease in the amount of the particulate oxidation removing agent 24 carried on the upstream side of the partition wall 19 when the filter 13 is used on the upstream side and the downstream side.
[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 filter 13 are configured not to be reversed, and the particulates 19 move from the exhaust gas downstream side end of the filter 19 toward the exhaust upstream side end. It is formed so that the carrying amount of the oxidation removing agent 24 gradually increases.
[0063]
In the exhaust emission control device, the precious metal catalyst 23 and the particulate oxidation removing agent 24 carried on the filter 13 are different from the metal used in the embodiment.
[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 SYMBOLS 11 ... Switching part which comprises reverse rotation means, 11a ... Valve body, 13 ... Filter, 19 ... Partition as collection wall, 24 ... Fine particle oxidation removal agent, 26 ... Particulate.

Claims (4)

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、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、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.
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、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.
前記触媒は、微粒子を酸化除去可能な微粒子酸化除去剤である請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。The catalyst exhaust gas control apparatus according microparticles to claim 1 or 2 in particulate oxidation removal agent capable oxidized and removed. 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つの金属からなることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。4. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 3, wherein the particulate oxidation removing agent is made of at least one metal selected from alkali metals, alkaline earth metals, rare earths, and transition metals.
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