JP3855777B2

JP3855777B2 - Particulate filter for internal combustion engine

Info

Publication number: JP3855777B2
Application number: JP2002014531A
Authority: JP
Inventors: 晃見上; 信也広田; 好一郎中谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003214141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関のパティキュレートフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出される微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと称す）が実公昭６２−１０４２２号公報に開示されている。フィルタとしては、主に、モノリスタイプフィルタとウォールフロータイプフィルタとが知られている。これらフィルタは、ハニカム構造体をベースとして作製される点では共通しているが、以下で説明するように、その中での排気ガスの流れ方の点で異なる。
【０００３】
モノリスタイプフィルタは、それが有する複数の排気流通路の両端の開口が全く塞がれていないタイプのフィルタである。すなわち、このタイプのフィルタでは、各排気流通路に流入した排気ガスは、これら排気流通路を画成する隔壁を通って他の排気流通路に流入せずに、流入した排気流通路からそのまま流出する。このタイプのフィルタには、フィルタに起因する排気ガスの圧力損失（以下、単にフィルタの圧損と称す）が低いという利点がある。しかしながら、その一方で、その微粒子捕集率が比較的低いという不具合もある。
【０００４】
一方、ウォールフロータイプフィルタは、それが有する複数の排気流通路のうち半数の排気流通路では、その下流端の開口が栓によって塞がれており、且つ、残りの半数の排気流通路では、その上流端の開口が栓によって塞がれているタイプのフィルタである。そして、このタイプのフィルタでは、各排気流通路に流入した排気ガスは、必ず、これら排気流通路を画成する多孔質の隔壁を通って隣接する排気流通路に流れ込み、その後、フィルタから流出する。このタイプのフィルタには、微粒子捕集率が高いという利点がある。しかしながら、その一方で、その圧損が比較的高いという不具合もある。
【０００５】
このように、モノリスタイプのフィルタでは、圧損は低いが微粒子捕集率が低く、ウォールフロータイプのフィルタでは、微粒子捕集率は高いが圧損が高い。一般的に、フィルタに要求される性能としては、圧損が低くて微粒子捕集率が高いという性能である。こうした要求に応えるために、上記公報に記載のフィルタでは、その排気流通路を塞いでいる栓に貫通孔を設けている。すなわち、このように貫通孔を設けることによって、一部の排気ガスが隔壁を通らずにこの貫通孔を介してフィルタから流出することができるので、フィルタの圧損が低くなる。一方、全ての排気ガスが貫通孔を介してフィルタから流出してしまうわけではないので、残りの排気ガスは隔壁を通った後にフィルタから流出するので、フィルタの微粒子捕集率は比較的高い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載のフィルタでは、栓に設けられた貫通孔に微粒子が詰まりやすい。貫通孔に微粒子が詰まってしまうと、フィルタの圧損が一気に高くなってしまう。そこで、本発明の目的は、微粒子捕集率が高く且つ圧損が常に低く維持されるパティキュレートフィルタを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、内燃機関から排出される微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタにおいて、多孔質材料からなる隔壁によって排気ガスを流すための排気流通路が画成されており、該排気流通路の端部の開口が貫通孔を有する酸化触媒によって塞がれており、該酸化触媒が微粒子を酸化除去することができる。これによれば、酸化触媒周囲に捕集された微粒子は酸化触媒によって酸化除去される。
【０００８】
２番目の発明では、１番目の発明のパティキュレートフィルタを具備する排気浄化装置において、パティキュレートフィルタに起因する排気ガスの圧力損失が予め定められた値よりも大きくなったときに、パティキュレートフィルタの温度を上昇させる昇温処理を実行するようにした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明のパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置が取り付けられている内燃機関を示している。図１において、１は機関本体、２は吸気管、３は排気管を示している。パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと称す）４は排気管３内に配置される。なお、以下の説明では、圧縮着火式の内燃機関について説明するが、本発明は、火花点火式の内燃機関にも適用可能である。
【００１０】
図２は第１実施形態のフィルタ４を示しており、図２（Ａ）はフィルタ４の端面図であり、図２（Ｂ）はフィルタ４の縦断面図である。図２を参照すると、フィルタ４はハニカム構造をなす隔壁５によって構成される。隔壁５は、例えば、コージェライトのような多孔質材料から形成される。隔壁５によって複数の排気流通路６，７が画成される。
【００１１】
これら排気流通路６，７のうちの半数の排気流通路６においては、その下流端の開口８が貫通孔１０を有する環状の酸化触媒９によって部分的に塞がれている。以下、これら排気流通路６を排気ガス流入通路と称す。一方、残りの半数の排気流通路７においては、その上流端の開口１１が栓１２によって完全に塞がれている。以下、これら排気流通路７を排気ガス流出通路と称す。第１実施形態のフィルタ４では、排気ガス流入通路６と排気ガス流出通路７とは交互に配置されている。
【００１２】
排気ガスは、上流端の開口１１から排気ガス流入通路６内に流入する。ここで排気ガス流入通路６内の圧力は排気ガス流出通路７内の圧力よりも高い。したがって、排気ガス流入通路６内の排気ガスの一部は、図２（Ｂ）において矢印で示したように、隔壁５の細孔を通って排気ガス流出通路７へと流れ込む。また、排気ガス流入通路６内の残りの排気ガスは、酸化触媒９の貫通孔１０を介してフィルタ４から流出する。
【００１３】
本実施形態では、排気ガス流入通路６の下流端の開口８は完全には塞がれておらず、そこには貫通孔１０が存在するので、フィルタ４に起因する排気ガスの圧力損失（以下、単にフィルタの圧損と称す）は小さい。しかも、排気ガス流入通路６の下流端の開口８は完全には開放されてはおらず、排気ガス流入通路６内と排気ガス流出通路７内の間には圧力差があることから多くの排気ガスは隔壁５を通ることとなる。このためフィルタ４の微粒子捕集率は高い。なお、フィルタ４の圧損値および微粒子捕集率は、酸化触媒９の厚み（隔壁５の壁面から貫通孔１０を画成する酸化触媒９の壁面までの長さ）を変えること、すなわち、貫通孔１０の径を変えることによって調整可能である。云い換えれば、酸化触媒９の厚みは、所望とする圧損値および微粒子捕集率に応じて変わる。
【００１４】
ところで、排気ガス中の微粒子は、排気ガスがフィルタ４内を通過するときに、隔壁５の壁面上、および、隔壁５の細孔内に捕集される。したがって、酸化触媒９周りに微粒子が堆積することとなる。ここで酸化触媒９周りに堆積している微粒子の量が多くなると、貫通孔１０が微粒子によって詰まってしまい、フィルタ４の圧損が大きくなってしまう。
【００１５】
しかしながら、本実施形態では、酸化触媒９には微粒子を酸化除去する能力があるので、酸化触媒９周りに微粒子が堆積したとしても、これら微粒子は酸化触媒９によって酸化除去されてしまうので、貫通孔１０が微粒子によって詰まることはない。したがって、貫通孔１０を比較的小さい孔として形成したとしても、貫通孔１０が微粒子によって詰まることはなく、フィルタ４の圧損は常に低いレベルに維持される。
【００１６】
なお、本実施形態では、図１に示したように、フィルタ４の圧損値を算出するためにフィルタ４の上流側と下流側とに圧力センサ１３，１４が配置されている。これら圧力センサ１３，１４によってフィルタ４の圧損値が許容値よりも大きくなったことが検出されたときには、内燃機関の運転を制御して排出される排気ガスの温度を上昇させ、斯くして、フィルタ４の温度を上昇させる昇温処理を実行し、フィルタ４内に捕集されている微粒子を燃焼除去する。
【００１７】
本実施形態では、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させるためには、例えば、１回の機関サイクルにおいて内燃機関の駆動用に燃料が噴射された後にそれとは別個に膨張行程において排気ガス温度の上昇用に少量の燃料を噴射する方法や、１回の機関サイクルにおいて内燃機関の駆動用に燃料を噴射するタイミングを通常の噴射タイミングよりも遅らせる方法などが採用される。
【００１８】
図３に第２実施形態のフィルタ４を示した。本実施形態では、排気ガス流入通路６においては、その下流端の開口８が栓１２によって完全に塞がれている。一方、排気ガス流出通路７においては、その上流端の開口１１が貫通孔１０を有する環状の酸化触媒９によって部分的に塞がれている。
【００１９】
本実施形態によれば、フィルタ４に到来する排気ガスの一部は貫通孔１０を介して排気ガス流出通路７に流入することができる。したがって、フィルタ４の圧損は低い。一方、残りの排気ガスは、排気ガス流入通路６の上流端の開口１１に流入し、隔壁５を通って排気ガス流出通路７に流れ込む。このように排気ガス流入通路６に流入した排気ガスが、必ず隔壁５を通るので、フィルタ４の微粒子捕集率は高い。
【００２０】
ところで、酸化触媒９周りには微粒子が堆積しやすく、このように堆積した微粒子によって貫通孔１０が詰まってしまうと、フィルタ４の圧損が高くなってしまう。しかしながら、本実施形態では、酸化触媒９周りに堆積した微粒子は、酸化触媒９によって酸化除去されてしまうので、フィルタ４の圧損が常に低いレベルに維持される。
【００２１】
図４に第３実施形態のフィルタ４を示した。本実施形態では、排気ガス流入通路６の下流端の開口８が貫通孔１０を有する環状の酸化触媒９によって部分的に塞がれ、排気ガス流出通路７の上流端の開口１１も貫通孔１０を有する酸化触媒９によって部分的に塞がれている。このフィルタ４においても、第１実施形態に関連して説明した理由から、圧損が低く且つ微粒子捕集率が高く、さらに、圧損が常に低いレベルに維持される。
【００２２】
なお、図示していないが、排気ガス流入通路６の下流端の開口８が貫通孔１０を有する環状の酸化触媒９によって部分的に塞がれているが、排気ガス流出通路７の上流端の開口１１が全く塞がれておらずに完全に開放されている構成、或いは、逆に、排気ガス流入通路６の下流端の開口８が全く塞がれておらずに完全に開放されているが、排気ガス流出通路７の上流端の開口１１が貫通孔１０を有する酸化触媒９によって部分的に塞がれている構成も本発明の範囲内にある。
【００２３】
図５に第４実施形態のフィルタ４を示した。本実施形態では、排気ガス流入通路６の下流端の開口８が貫通孔１０を有する環状の酸化触媒９によって部分的に塞がれている。一方、排気ガス流出通路７の上流端の開口１１はテーパ壁１５によって完全に塞がれている。テーパ壁１５は隔壁５を曲げ加工によって変形することによって形成される。すなわち、排気ガス流出通路７の上流端の開口１１近傍を画成する隔壁５を互いに近づくように寄せ集め、隔壁５の上流端同士を互いに接続することによって、テーパ壁１５が形成される。
【００２４】
このように排気ガス流出通路７の上流端の開口１１をテーパ壁１５によって塞ぐと、結果的には、排気ガス流入通路６の上流端の開口１１の流路面積が大きくなるだけでなく、この上流端の開口１１は傾斜したテーパ壁１５の壁面によって画成されているので、排気ガス流入通路６はその上流端の開口１１近傍において徐々にその流路面積が小さくなる。上流端の開口１１がこのような形状となっていると、排気ガスが排気ガス流入通路６にスムーズに流入するので、フィルタ４の圧損は低くなる。
【００２５】
もちろん、上述した実施形態に関連して説明した理由から、本実施形態においても、フィルタ４の圧損は低く且つ微粒子捕集率が高く、さらに、フィルタ４の圧損は常に低いレベルに維持される。
【００２６】
なお、上述した実施形態のフィルタ４では、隔壁５の両壁面上、および、隔壁５の細孔を画成する壁面上に全面に亘って、例えば、アルミナからなる担体層が形成され、この担体層上に、貴金属触媒と、活性酸素生成剤とが担持されている。
【００２７】
貴金属触媒としては、白金Ｐｔが用いられる。一方、活性酸素生成剤としては、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹ、セリウムＣｅのような希土類、鉄Ｆｅのような遷移金属、およびスズＳｎのような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられる。
【００２８】
活性酸素生成剤は、周囲に過剰な酸素が存在すると酸素を吸収によって保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持している酸素を活性酸素の形で解放することによって活性酸素を生成する。次に、活性酸素生成剤の活性酸素生成作用について、担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫ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、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属を用いても同様な活性酸素生成作用が行われる。
【００２９】
吸気通路２および内燃機関の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、圧縮着火式内燃機関から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。したがって、フィルタ４に流入する排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。また、圧縮着火式内燃機関の燃焼室内ではＮＯが発生する。したがって、排気ガス中にはＮＯが含まれている。このため過剰酸素、および、ＮＯを含んだ排気ガスがフィルタ４の排気ガス流入通路６内に流入することになる。
【００３０】
図６（Ａ）および（Ｂ）は、隔壁５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６（Ａ）および（Ｂ）において、６０は白金Ｐｔの粒子を示し、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素生成剤を示している。
【００３１】
排気ガスがフィルタ４の排気ガス流入通路６内に流入すると、図６（Ａ）に示したように、排気ガス中の酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-またはＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。排気ガス中のＮＯはこれらＯ₂ ^-またはＯ^2-と反応し、ＮＯ₂となる。斯くして生成されたＮＯ₂の一部は、白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持され、図６（Ａ）に示したように、カリウムＫと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で活性酸素生成剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ₃を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸カリウムＫＮＯ₃の形で活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持される。
【００３２】
ここで、燃焼室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る。したがって、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排気ガス流入通路６内を流れているとき、或いは、隔壁５の細孔内を通過するときに、図６（Ｂ）において６２で示したように、活性酸素生成剤６１の表面上に接触して付着する。
【００３３】
このように微粒子６２が活性酸素生成剤６１の表面上に付着すると、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。すなわち、活性酸素生成剤６１の周囲の酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素生成剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして、活性酸素生成剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素生成剤６１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が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かい、その一方で、ＮＯが活性酸素生成剤６１から外部に放出される。
【００３４】
ここで、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かう酸素は、硝酸カリウムＫＮＯ₃といった化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、したがって、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。こうして活性酸素生成剤６１は活性酸素を生成する。なお、外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素生成剤６１内に保持される。
【００３５】
活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素はそこに付着した微粒子を酸化除去するために消費される。すなわち、フィルタ４に捕集された微粒子は活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素によって酸化除去される。
【００３６】
このように本発明では、フィルタ４に捕集されている微粒子は、反応性の高い活性酸素によって、輝炎を発することなく酸化除去される。このように輝炎を発することのない酸化によって微粒子を除去すれば、フィルタ４の温度が過剰に高くなることがなく、したがって、フィルタ４が熱劣化することがない。
【００３７】
さらに、微粒子を酸化除去するために利用される活性酸素は反応性が高いので、フィルタ４の温度が比較的低くても、微粒子は酸化除去される。すなわち、圧縮点火式内燃機関から排出される排気ガスの温度が比較的低く、このため、フィルタ４の温度も比較的低いことが多いが、本発明によれば、フィルタ４の温度を上昇させるための特別な処理を実行しなくても、フィルタ４に捕集された微粒子は酸化除去され続ける。
【００３８】
なお、活性酸素生成剤６１は周囲に過剰な酸素が存在するとＮＯ_Xを硝酸イオンの形で保持することによって結果的に酸素を保持する。すなわち、活性酸素生成剤６１は周囲に過剰な酸素が存在するとＮＯ_Xを吸収によって保持する。一方、活性酸素生成剤６１は周囲の酸素濃度が低下すると硝酸イオンの形で保持されているＮＯ_Xを解放することによって活性酸素を生成する。すなわち、活性酸素生成剤６１は周囲の酸素濃度が低下するとＮＯ_Xを解放する。したがって、本発明の活性酸素生成剤６１はＮＯ_X保持剤としても機能する。
【００３９】
ここで、活性酸素生成剤６１周りの酸素濃度が低下する場合とは、上述したように、周囲の雰囲気はリーン雰囲気であるが活性酸素生成剤６１に微粒子が付着した場合の他に、フィルタ４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなって周囲の雰囲気がリッチ雰囲気となった場合がある。
【００４０】
周囲の雰囲気はリッチ雰囲気であるが活性酸素生成剤６１に微粒子が付着することで活性酸素生成剤６１周りの酸素濃度が低下した場合に解放されたＮＯ_Xは、上述したように、再び活性酸素生成剤６１に吸収によって保持される。一方、フィルタ４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとなって周囲の雰囲気がリッチ雰囲気となった場合に解放されたＮＯ_Xは、白金Ｐｔの作用によって排気ガス中の炭化水素で還元浄化される。云い方を換えれば、内燃機関からリッチ空燃比の排気ガスが排出されるように内燃機関の運転を制御すれば、活性酸素生成剤６１に保持されているＮＯ_Xを還元浄化することができる。したがって、本発明のフィルタ４は、活性酸素生成剤６１と白金ＰｔとからなるＮＯ_X触媒を具備するとも言える。
【００４１】
なお、上述した貴金属触媒と活性酸素生成剤とによって酸化触媒が構成されるので、排気ガス流入通路６または排気ガス流出通路７を部分的に塞ぐための酸化触媒９として、貴金属触媒と活性酸素生成剤とから構成される酸化触媒を利用してもよい。この場合、排気ガス流入通路６または排気ガス流出通路７の開口を画成する領域の隔壁５へのこれら貴金属触媒と活性酸素生成剤との担持量を他の領域の隔壁５への担持量よりも多くすることによって、これら開口を部分的に塞ぐための酸化触媒９を形成することが好ましい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明では、排気流通路の端部の開口を塞いでいる酸化触媒に貫通孔が存在するので、パティキュレートフィルタに到来した排気ガスの一部は、この貫通孔を通過することができ、したがって、本発明のパティキュレートフィルタに起因する排気ガスの圧力損失は低い。また、排気流通路の端部の開口が少なくとも部分的には酸化触媒によって塞がれているので、排気ガスの一部が多孔質材料からなる隔壁を通過することとなり、したがって、本発明のパティキュレートフィルタの微粒子捕集率は高い。さらに、酸化触媒周囲に堆積した微粒子は酸化触媒によって酸化除去されるので、酸化触媒の貫通孔が微粒子によって詰まることはなく、したがって、本発明のパティキュレートフィルタに起因する排気ガスの圧力損失は、常に低いレベルに維持される。斯くして、本発明によれば、微粒子捕集率が高く且つ圧損が低いパティキュレートフィルタが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置が取り付けられた内燃機関を示す図である。
【図２】第１実施形態のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図３】第２実施形態のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図４】第３実施形態のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図５】第４実施形態のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図６】本発明のパティキュレートフィルタにおける活性酸素生成作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２…吸気通路
３…排気通路
４…パティキュレートフィルタ
５…隔壁
６、７…排気流通路
９…酸化触媒
１０…貫通孔
１２…栓[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a particulate filter for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
A particulate filter (hereinafter simply referred to as a filter) for collecting fine particles discharged from an internal combustion engine is disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 62-10422. As the filter, a monolith type filter and a wall flow type filter are mainly known. These filters are common in that they are manufactured using a honeycomb structure as a base, but differ in the way in which exhaust gas flows therein, as will be described below.
[0003]
The monolith type filter is a type of filter in which openings at both ends of a plurality of exhaust flow passages that the monolith type filter is not closed at all. That is, in this type of filter, the exhaust gas flowing into each exhaust flow passage does not flow into the other exhaust flow passages through the partition walls defining these exhaust flow passages, but flows out from the flow-in exhaust flow passages as they are. To do. This type of filter has an advantage that the pressure loss of exhaust gas caused by the filter (hereinafter simply referred to as filter pressure loss) is low. However, on the other hand, there is also a problem that the particulate collection rate is relatively low.
[0004]
On the other hand, in the wall flow type filter, in the exhaust flow passage of half of the plurality of exhaust flow passages that the wall flow type filter has, the opening at the downstream end is closed by a plug, and in the remaining half of the exhaust flow passages, This is a filter of the type whose opening at the upstream end is closed by a plug. In this type of filter, the exhaust gas flowing into each exhaust flow passage always flows into the adjacent exhaust flow passage through the porous partition walls defining these exhaust flow passages, and then flows out from the filter. . This type of filter has the advantage of a high particulate collection rate. However, on the other hand, there is a problem that the pressure loss is relatively high.
[0005]
Thus, in the monolith type filter, the pressure loss is low but the particulate collection rate is low, and in the wall flow type filter, the particulate collection rate is high but the pressure loss is high. In general, the performance required for the filter is that the pressure loss is low and the particulate collection rate is high. In order to meet such a demand, in the filter described in the above publication, a through hole is provided in a plug that closes the exhaust flow passage. That is, by providing the through hole in this way, a part of the exhaust gas can flow out of the filter through the through hole without passing through the partition wall, so that the pressure loss of the filter is reduced. On the other hand, not all exhaust gas flows out from the filter through the through-holes, so the remaining exhaust gas flows out from the filter after passing through the partition wall, so that the particulate collection rate of the filter is relatively high.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the filter described in the above publication, fine particles are likely to be clogged in the through hole provided in the stopper. If the through holes are clogged with fine particles, the pressure loss of the filter will increase at a stretch. Accordingly, an object of the present invention is to provide a particulate filter that has a high particulate collection rate and a pressure loss that is always kept low.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, in a particulate filter for collecting fine particles discharged from an internal combustion engine, an exhaust flow passage for flowing exhaust gas is defined by a partition wall made of a porous material. The opening at the end of the exhaust flow passage is closed by an oxidation catalyst having a through hole, and the oxidation catalyst can oxidize and remove fine particles. According to this, the fine particles collected around the oxidation catalyst are oxidized and removed by the oxidation catalyst.
[0008]
In the second aspect of the present invention, when the exhaust gas pressure loss due to the particulate filter becomes larger than a predetermined value in the exhaust gas purification apparatus having the particulate filter of the first aspect, the particulate filter The temperature raising process for raising the temperature of the was performed.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an internal combustion engine equipped with an exhaust emission control device equipped with a particulate filter of the present invention. In FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is an intake pipe, and 3 is an exhaust pipe. A particulate filter (hereinafter simply referred to as a filter) 4 is disposed in the exhaust pipe 3. In the following description, a compression ignition type internal combustion engine will be described, but the present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine.
[0010]
2 shows the filter 4 of the first embodiment, FIG. 2A is an end view of the filter 4, and FIG. 2B is a longitudinal sectional view of the filter 4. Referring to FIG. 2, the filter 4 is constituted by partition walls 5 having a honeycomb structure. The partition wall 5 is formed of a porous material such as cordierite, for example. A plurality of exhaust flow passages 6 and 7 are defined by the partition wall 5.
[0011]
In the exhaust flow passage 6, which is half of the exhaust flow passages 6, 7, the opening 8 at the downstream end thereof is partially blocked by an annular oxidation catalyst 9 having a through hole 10. Hereinafter, these exhaust flow passages 6 are referred to as exhaust gas inflow passages. On the other hand, in the remaining half of the exhaust flow passages 7, the opening 11 at the upstream end thereof is completely blocked by the plug 12. Hereinafter, these exhaust flow passages 7 are referred to as exhaust gas outflow passages. In the filter 4 of the first embodiment, the exhaust gas inflow passages 6 and the exhaust gas outflow passages 7 are alternately arranged.
[0012]
The exhaust gas flows into the exhaust gas inflow passage 6 from the opening 11 at the upstream end. Here, the pressure in the exhaust gas inflow passage 6 is higher than the pressure in the exhaust gas outflow passage 7. Therefore, a part of the exhaust gas in the exhaust gas inflow passage 6 flows into the exhaust gas outflow passage 7 through the pores of the partition walls 5 as indicated by arrows in FIG. Further, the remaining exhaust gas in the exhaust gas inflow passage 6 flows out from the filter 4 through the through hole 10 of the oxidation catalyst 9.
[0013]
In the present embodiment, the opening 8 at the downstream end of the exhaust gas inflow passage 6 is not completely closed, and there is a through hole 10 there. , Simply referred to as filter pressure loss). Moreover, since the opening 8 at the downstream end of the exhaust gas inflow passage 6 is not completely opened, and there is a pressure difference between the exhaust gas inflow passage 6 and the exhaust gas outflow passage 7, many exhaust gases. Passes through the partition wall 5. For this reason, the particulate collection rate of the filter 4 is high. The pressure loss value and the particulate collection rate of the filter 4 are obtained by changing the thickness of the oxidation catalyst 9 (the length from the wall surface of the partition wall 5 to the wall surface of the oxidation catalyst 9 that defines the through hole 10). It can be adjusted by changing the diameter of 10. In other words, the thickness of the oxidation catalyst 9 varies depending on the desired pressure loss value and particulate collection rate.
[0014]
By the way, the fine particles in the exhaust gas are collected on the wall surface of the partition wall 5 and in the pores of the partition wall 5 when the exhaust gas passes through the filter 4. Accordingly, fine particles are deposited around the oxidation catalyst 9. Here, when the amount of fine particles deposited around the oxidation catalyst 9 increases, the through holes 10 are clogged with fine particles, and the pressure loss of the filter 4 increases.
[0015]
However, in this embodiment, since the oxidation catalyst 9 has the ability to oxidize and remove the fine particles, even if the fine particles are deposited around the oxidation catalyst 9, the fine particles are oxidized and removed by the oxidation catalyst 9. 10 is not clogged with fine particles. Therefore, even if the through hole 10 is formed as a relatively small hole, the through hole 10 is not clogged with fine particles, and the pressure loss of the filter 4 is always maintained at a low level.
[0016]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, pressure sensors 13 and 14 are arranged on the upstream side and the downstream side of the filter 4 in order to calculate the pressure loss value of the filter 4. When it is detected by these pressure sensors 13 and 14 that the pressure loss value of the filter 4 has become larger than the allowable value, the operation of the internal combustion engine is controlled to raise the temperature of the exhaust gas discharged. A temperature raising process for increasing the temperature of the filter 4 is executed, and the particulates collected in the filter 4 are burned and removed.
[0017]
In this embodiment, in order to raise the temperature of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine, for example, after fuel is injected for driving the internal combustion engine in one engine cycle, the exhaust gas is exhausted in the expansion stroke separately from it. A method of injecting a small amount of fuel for increasing the gas temperature, a method of delaying the timing of injecting fuel for driving the internal combustion engine in one engine cycle from the normal injection timing, or the like is employed.
[0018]
FIG. 3 shows the filter 4 of the second embodiment. In this embodiment, in the exhaust gas inflow passage 6, the opening 8 at the downstream end thereof is completely closed by the plug 12. On the other hand, in the exhaust gas outflow passage 7, the opening 11 at the upstream end thereof is partially blocked by the annular oxidation catalyst 9 having the through hole 10.
[0019]
According to the present embodiment, a part of the exhaust gas arriving at the filter 4 can flow into the exhaust gas outflow passage 7 through the through hole 10. Therefore, the pressure loss of the filter 4 is low. On the other hand, the remaining exhaust gas flows into the opening 11 at the upstream end of the exhaust gas inflow passage 6 and flows into the exhaust gas outflow passage 7 through the partition wall 5. Since the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 6 always passes through the partition wall 5 in this way, the particulate collection rate of the filter 4 is high.
[0020]
By the way, fine particles are likely to be deposited around the oxidation catalyst 9, and when the through holes 10 are clogged with the fine particles thus deposited, the pressure loss of the filter 4 becomes high. However, in this embodiment, the fine particles deposited around the oxidation catalyst 9 are oxidized and removed by the oxidation catalyst 9, so that the pressure loss of the filter 4 is always maintained at a low level.
[0021]
FIG. 4 shows the filter 4 of the third embodiment. In this embodiment, the opening 8 at the downstream end of the exhaust gas inflow passage 6 is partially blocked by the annular oxidation catalyst 9 having the through hole 10, and the opening 11 at the upstream end of the exhaust gas outflow passage 7 is also through the through hole 10. Is partially blocked by an oxidation catalyst 9 having In the filter 4 as well, the pressure loss is low, the particulate collection rate is high, and the pressure loss is always maintained at a low level for the reason described in connection with the first embodiment.
[0022]
Although not shown, the downstream end opening 8 of the exhaust gas inflow passage 6 is partially blocked by an annular oxidation catalyst 9 having a through hole 10. A configuration in which the opening 11 is not completely closed and is completely opened, or conversely, the opening 8 at the downstream end of the exhaust gas inflow passage 6 is not completely closed and is completely opened. However, a configuration in which the opening 11 at the upstream end of the exhaust gas outflow passage 7 is partially blocked by the oxidation catalyst 9 having the through hole 10 is also within the scope of the present invention.
[0023]
FIG. 5 shows the filter 4 of the fourth embodiment. In this embodiment, the opening 8 at the downstream end of the exhaust gas inflow passage 6 is partially blocked by an annular oxidation catalyst 9 having a through hole 10. On the other hand, the opening 11 at the upstream end of the exhaust gas outflow passage 7 is completely closed by the taper wall 15. The tapered wall 15 is formed by deforming the partition wall 5 by bending. That is, the partition walls 5 that define the vicinity of the opening 11 near the upstream end of the exhaust gas outflow passage 7 are gathered together so as to approach each other, and the upstream ends of the partition walls 5 are connected to each other to form the tapered wall 15.
[0024]
Thus, if the opening 11 at the upstream end of the exhaust gas outflow passage 7 is blocked by the taper wall 15, not only does the flow area of the opening 11 at the upstream end of the exhaust gas inflow passage 6 increase, Since the opening 11 at the upstream end is defined by the wall surface of the inclined taper wall 15, the flow area of the exhaust gas inflow passage 6 gradually decreases in the vicinity of the opening 11 at the upstream end. If the upstream end opening 11 has such a shape, the exhaust gas smoothly flows into the exhaust gas inflow passage 6, and thus the pressure loss of the filter 4 becomes low.
[0025]
Of course, for the reason described in connection with the above-described embodiment, also in this embodiment, the pressure loss of the filter 4 is low and the particulate collection rate is high, and the pressure loss of the filter 4 is always maintained at a low level.
[0026]
In the filter 4 of the above-described embodiment, a carrier layer made of alumina, for example, is formed on both wall surfaces of the partition wall 5 and on the wall surface defining the pores of the partition wall 5. A noble metal catalyst and an active oxygen generator are supported on the layer.
[0027]
Platinum Pt is used as the noble metal catalyst. On the other hand, active oxygen generators include alkaline metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, alkaline earth metals such as barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr, lanthanum La, and yttrium Y. , At least one selected from rare earths such as cerium Ce, transition metals such as iron Fe, and carbon group elements such as tin Sn.
[0028]
The active oxygen generator generates active oxygen by holding oxygen by absorption when excess oxygen exists in the surroundings and releasing the held oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. Next, the active oxygen generating action of the active oxygen generator will be described by taking, as an example, the case where platinum Pt and potassium K are supported on the carrier, but other noble metals, alkali metals, alkaline earth metals, rare earths, transition metals. The same active oxygen generating action is performed even if is used.
[0029]
When the ratio of air and fuel supplied to the intake passage 2 and the combustion chamber of the internal combustion engine is referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas, the air-fuel ratio of the exhaust gas discharged from the compression ignition internal combustion engine is lean. Therefore, the exhaust gas flowing into the filter 4 contains a large amount of excess air. Further, NO is generated in the combustion chamber of the compression ignition type internal combustion engine. Therefore, NO is contained in the exhaust gas. Therefore, the exhaust gas containing excess oxygen and NO flows into the exhaust gas inflow passage 6 of the filter 4.
[0030]
6A and 6B schematically show enlarged views of the surface of the carrier layer formed on the partition wall 5. In FIGS. 6A and 6B, 60 indicates platinum Pt particles, and 61 indicates an active oxygen generator containing potassium K.
[0031]
When the exhaust gas flows into the exhaust gas inflow passage 6 of the filter 4, as shown in FIG. 6A, oxygen O ₂ in the exhaust gas is in the form of O ₂ ⁻ or O ^{2− on} the surface of platinum Pt. Adhere to. NO in the exhaust gas reacts with these O ₂ ⁻ or O ²⁻ to become NO ₂ . Part of the NO ₂ thus generated is retained by absorption in the active oxygen generator 61 while being oxidized on platinum Pt, and as shown in FIG. It diffuses into the active oxygen generator 61 in the form of ion NO ₃ ⁻ to produce potassium nitrate KNO ₃ . That is, oxygen in the exhaust gas is retained by absorption in the active oxygen generator 61 in the form of potassium nitrate KNO ₃ .
[0032]
Here, fine particles mainly composed of carbon C are generated in the combustion chamber. Therefore, these fine particles are contained in the exhaust gas. These fine particles contained in the exhaust gas are indicated by 62 in FIG. 6B when the exhaust gas flows through the exhaust gas inflow passage 6 or when it passes through the pores of the partition wall 5. Thus, it contacts and adheres on the surface of the active oxygen generating agent 61.
[0033]
When the fine particles 62 adhere to the surface of the active oxygen generating agent 61 in this way, the oxygen concentration at the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen generating agent 61 decreases. That is, the oxygen concentration around the active oxygen generator 61 decreases. When the oxygen concentration is lowered, a difference in concentration occurs between the active oxygen generator 61 having a high oxygen concentration, and thus oxygen in the active oxygen generator 61 is brought into contact with the fine particles 62 and the active oxygen generator 61. Try to move towards. As a result, the potassium nitrate KNO ₃ formed in the active oxygen generator 61 is decomposed into potassium K, oxygen O, and NO, and the oxygen O goes to the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen generator 61, one of them. Thus, NO is released from the active oxygen generator 61 to the outside.
[0034]
Here, since the oxygen toward the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen generator 61 is oxygen decomposed from a compound such as potassium nitrate KNO ₃ , it has unpaired electrons, and therefore has an extremely high reactivity. It is oxygen. Thus, the active oxygen generator 61 generates active oxygen. Note that NO released to the outside is oxidized on the platinum Pt on the downstream side, and is held in the active oxygen generator 61 again.
[0035]
The active oxygen generated by the active oxygen generator 61 is consumed to oxidize and remove the fine particles adhering thereto. That is, the particulates collected by the filter 4 are oxidized and removed by the active oxygen generated by the active oxygen generator 61.
[0036]
As described above, in the present invention, the fine particles collected by the filter 4 are oxidized and removed by the reactive oxygen having high reactivity without generating a luminous flame. If the fine particles are removed by oxidation without emitting a luminous flame in this way, the temperature of the filter 4 will not be excessively increased, and therefore the filter 4 will not be thermally deteriorated.
[0037]
Furthermore, since the active oxygen used for oxidizing and removing the fine particles is highly reactive, the fine particles are oxidized and removed even when the temperature of the filter 4 is relatively low. That is, the temperature of the exhaust gas discharged from the compression ignition internal combustion engine is relatively low, and thus the temperature of the filter 4 is often relatively low. According to the present invention, the temperature of the filter 4 is increased. Even if this special process is not executed, the particulates collected by the filter 4 are continuously removed by oxidation.
[0038]
The active oxygen generator 61 holds NO _x in the form of nitrate ions as a result, if oxygen is present in the vicinity, thereby holding oxygen. That is, the active oxygen generator 61 retains NO _x by absorption when excess oxygen is present in the surroundings. Meanwhile, the active oxygen generating agent 61 to generate active oxygen by releasing NO _X is oxygen concentration around held in the form of nitrate when lowered. That is, the active oxygen generator 61 releases NO _x when the surrounding oxygen concentration is lowered. Therefore, the active oxygen generator 61 of the present invention also functions as a NO _x retention agent.
[0039]
Here, the case where the oxygen concentration around the active oxygen generating agent 61 is lowered means that, as described above, the surrounding atmosphere is a lean atmosphere, but in addition to the case where fine particles adhere to the active oxygen generating agent 61, the filter 4 In some cases, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the engine becomes rich and the surrounding atmosphere becomes rich.
[0040]
Although the surrounding atmosphere is a rich atmosphere, NO _x released when the oxygen concentration around the active oxygen generator 61 is reduced due to the adhesion of fine particles to the active oxygen generator 61 is, as described above, the active oxygen again. The product 61 is held by absorption. On the other hand, NO _x released when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the filter 4 becomes rich and the surrounding atmosphere becomes rich is reduced and purified by hydrocarbons in the exhaust gas by the action of platinum Pt. The In other words, if the operation of the internal combustion engine is controlled so that the rich air-fuel ratio exhaust gas is discharged from the internal combustion engine, the NO _x held in the active oxygen generator 61 can be reduced and purified. Therefore, it can be said that the filter 4 of the present invention includes a NO _x catalyst composed of the active oxygen generator 61 and platinum Pt.
[0041]
In addition, since an oxidation catalyst is comprised by the noble metal catalyst and active oxygen production | generation agent which were mentioned above, noble metal catalyst and active oxygen production | generation are used as the oxidation catalyst 9 for partially plugging the exhaust gas inflow passage 6 or the exhaust gas outflow passage 7. An oxidation catalyst composed of an agent may be used. In this case, the amount of the noble metal catalyst and the active oxygen generating agent supported on the partition wall 5 in the region defining the opening of the exhaust gas inflow passage 6 or the exhaust gas outflow passage 7 is determined by the amount supported on the partition wall 5 in the other region. It is preferable to form an oxidation catalyst 9 for partially closing these openings by increasing the number of the openings.
[0042]
【The invention's effect】
In the present invention, since the through-hole exists in the oxidation catalyst blocking the opening at the end of the exhaust flow passage, a part of the exhaust gas that has arrived at the particulate filter can pass through the through-hole. The pressure loss of the exhaust gas due to the particulate filter of the present invention is low. In addition, since the opening at the end of the exhaust flow passage is at least partially blocked by the oxidation catalyst, a part of the exhaust gas passes through the partition wall made of the porous material. The particulate collection rate of the curate filter is high. Further, since the fine particles deposited around the oxidation catalyst are oxidized and removed by the oxidation catalyst, the through holes of the oxidation catalyst are not clogged with the fine particles, and therefore the pressure loss of the exhaust gas caused by the particulate filter of the present invention is Always kept at a low level. Thus, according to the present invention, a particulate filter having a high particulate collection rate and a low pressure loss is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing an internal combustion engine equipped with an exhaust emission control device equipped with a particulate filter of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a particulate filter according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a particulate filter according to a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a particulate filter according to a third embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a particulate filter according to a fourth embodiment.
FIG. 6 is a diagram for explaining an action of generating active oxygen in the particulate filter of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine main body 2 ... Intake passage 3 ... Exhaust passage 4 ... Particulate filter 5 ... Partition wall 6, 7 ... Exhaust flow passage 9 ... Oxidation catalyst 10 ... Through-hole 12 ... Plug

Claims

In a particulate filter for collecting particulates discharged from an internal combustion engine, an exhaust flow passage for flowing exhaust gas is defined by a partition made of a porous material, and an opening at an end of the exhaust flow passage is defined The particulate filter is closed by an oxidation catalyst having a through hole, and the oxidation catalyst can oxidize and remove fine particles.

2. The exhaust gas purification apparatus comprising the particulate filter according to claim 1, wherein the temperature of the particulate filter is raised when the pressure loss of the exhaust gas caused by the particulate filter becomes larger than a predetermined value. An exhaust emission control device characterized in that a temperature raising process is executed.