JPH07332065A - 内燃機関の排気微粒子浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関の排気微粒子を濾過する触媒担持フ
ィルタにおいて、再生時にフィルタの割れや溶損を生じ
る異常な高温の発生を防止する。 【構成】 フィルタ４の下流側の部分には、排気ガス中
の未燃の燃料がフィルタに担持された触媒４１によって
酸化反応を起こして発生する反応熱の他に、排気ガスが
上流から運んで来る伝播熱や、上流側の部分ａに堆積し
た微粒子が燃焼して発生する燃焼熱も流入するので、特
に中央部分ｃでは異常な高温に達して割れや溶損を生じ
る恐れがある。そこで、下流側の中央部分ｃには触媒を
担持させないで、場合によってはコーティング材だけを
塗布する。従って、その部分では燃料の酸化反応の速度
が遅くなる結果、フィルタ４のどの部分にも異常な高温
が発生しないので、堆積した微粒子はどこでも適度に加
熱されて着火、燃焼する。なお、下流側の外周部分ｂは
周囲への放熱により異常高温にはならない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気ガス中
に含まれる微粒子（パティキュレート）を分離して捕集
すると共に、堆積した微粒子を焼却してそれ自体を再生
するために触媒を担持している多孔質体からなる触媒担
持フィルタを備えている、内燃機関の排気微粒子浄化装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばディーゼルエンジンの排ガス中に
はパティキュレートと呼ばれている炭素等の微粒子が多
く含まれている。このためディーゼルエンジンの排気系
にはパティキュレートを捕集するために、例えば多孔性
で通気性があり、耐熱性を有するセラミックからなるフ
ィルタを装着している。

【０００３】ところがフィルタにパティキュレートの堆
積が進むとフィルタの通気抵抗が次第に増加し、ディー
ゼルエンジンの出力低下を招く。そのためフィルタに堆
積したパティキュレートを何らかの方法で除去し、フィ
ルタの再生処理を行う必要がある。

【０００４】フィルタの再生処理は、フィルタを例えば
加熱手段によりパティキュレートの着火温度（約６５０
℃）以上の温度に高め、堆積したパティキュレートを燃
焼させることにより行なわれる。前記加熱手段として
は、例えばパティキュレート捕集用のフィルタとして酸
化触媒を担持したフィルタを使用し、燃料供給手段によ
り前記触媒担持フィルタに燃料（炭化水素）を供給し、
触媒による燃料の酸化反応熱をパティキュレートに与え
て着火、燃焼させる方法が考えられる。この例を図４及
び図５に示す。

【０００５】内燃機関１には燃料供給のための燃料噴射
弁８が装着され、さらに燃料噴射弁８に燃料を送るため
の燃料ポンプ７が装着されている。燃料噴射弁８は電子
制御装置９により、燃料噴射時期、噴射量が制御され
る。そこで、この内燃機関本体１の燃料供給システムを
利用して、再生時に後述のフィルタへ未燃焼の燃料を供
給する。

【０００６】内燃機関１の排気マニホルド２には排気管
路３が接続され、さらに排気管路３にはフィルタ４′が
装着されている。フィルタ４′は図５に示す如く一様に
触媒４１が担持されている。

【０００７】再生処理時には、触媒担持フィルタ４′の
触媒が活性化状態にあるときに、電子制御装置９によっ
て燃料噴射弁８の噴射時期と噴射量を制御することによ
り、未燃焼の燃料を触媒担持フィルタ４′に供給する。
その結果触媒担持フィルタ４′内では触媒４１による燃
料の酸化反応が生じ、その酸化熱により触媒担持フィル
タ４′の温度をパティキュレート着火温度以上に高め、
堆積したパティキュレートを燃焼させて除去する。

【０００８】しかし前述の方法では、触媒によって燃料
の酸化反応速度が速くなるので、触媒担持フィルタの内
部に熱が短時間のうちに蓄積されて、場所によっては異
常な高温に達する。異常な高温になると触媒担持フィル
タに割れや溶損、あるいは触媒が劣化するというような
問題が発生する。

【０００９】ここで上記現象を図７、図８を用いて具体
的に説明する。まず図７は、フィルタの中心軸上におい
て前後方向の各点における、再生時に生じる最高温度を
示したものである。図７に示される如く、フィルタの後
方に行く程、触媒による供給燃料の酸化反応熱とパティ
キュレートの燃焼熱、更に上流側の部分で発生した熱の
伝播が加わって下流側の端面より上流側に向って３〜４
割の部分では異常高温となることが分かる。ただし図７
の下流側端面部に於て若干温度が降下しているのは、フ
ィルタの下流への放熱と、この部分が触媒担持フィルタ
の栓詰め部にあたるために、パティキュレートの燃焼が
生じないことによるものである。

【００１０】次に図８は、図７に於て最も高く昇温した
点Ａを通り、フィルタの中心軸に垂直な断面上における
半径方向の各点の再生時に生じる最高温度を示したもの
である。図８に示されるように、触媒担持フィルタの中
心部付近では異常高温となっているものの、外周部付近
（外周より半径に１〜２割の部分）で急激に温度が降下
して良好な再生状態となっていることが分かる。これは
フィルタ外周付近では、触媒による供給燃料の酸化反応
とパティキュレートの燃焼熱、更に上流側の部分よりの
伝播熱が加わるが、外部への放熱も大きいことによるも
のである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、従来技術にお
ける上述の問題点に鑑み、本発明は、再生時において一
部にでも異常高温を生じることがなく、しかも良好な再
生を行うことのできる触媒担持フィルタを備えている排
気微粒子浄化装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、多孔質体からなり、内燃機
関の排気ガス中に含まれる微粒子を分離して捕集するた
めに排気通路に接続され、捕集されて堆積した微粒子を
焼却してそれ自体を再生する時の発熱手段の一部とし
て、排気ガス中の未燃焼燃料の酸化を促進して発熱させ
る酸化触媒を担持している触媒担持フィルタと、前記触
媒担持フィルタに捕集された微粒子の量を検出して再生
時期を判定し、再生を開始させる手段と、前記触媒担持
フィルタを再生する時の発熱手段の他の一部として前記
触媒によって酸化されて発熱する燃料を前記触媒担持フ
ィルタの上流へ供給する手段とを備えている排気微粒子
浄化装置において、前記触媒担持フィルタが、上流側の
部分と下流側の外周部分に前記触媒を担持していると共
に、下流側の中央部分には前記触媒を担持していないこ
とを特徴とする内燃機関の排気微粒子浄化装置を提供す
る。

【００１３】

【作用】内燃機関の排気ガスは、多孔質体からなり排気
通路に接続されている触媒担持フィルタによって濾過さ
れることにより、その中に含まれている微細な炭素粒を
主成分とする微粒子（パティキュレート）は分離されて
フィルタ上に堆積する。微粒子の堆積が進むとフィルタ
の通気抵抗が増大して内燃機関の出力の低下を招くの
で、捕集されて堆積した微粒子の量を検出して再生時期
を判定し、再生を開始させる手段がフィルタの再生時期
に来たと判定した時は、燃料を触媒担持フィルタの上流
へ供給する手段を作動させて、フィルタへ流入する排気
ガス中の未燃焼の燃料を必要な量だけ増加させる。触媒
担持フィルタは微粒子を濾過するだけでなく触媒をも担
持しているので、フィルタに流入した未燃焼の燃料は触
媒の存在のもとに速やかに酸化反応を行って反応熱を発
生する。

【００１４】フィルタの下流側の部分には、前述のよう
にして排気ガス中の未燃焼の燃料がフィルタに担持され
た触媒によって酸化反応を起こして発生する反応熱の他
に、排気ガスが上流から運んで来る伝播熱や、堆積した
微粒子が燃焼して発生する燃焼熱も流入するので、触媒
担持フィルタの下流側の中央部分では異常な高温に達し
てフィルタに割れや溶損を生じる恐れがあるが、本発明
の排気微粒子浄化装置においては、触媒担持フィルタに
おけるそのような異常な高温となる可能性がある下流側
の中央部分には触媒を担持させず、フィルタの上流側の
部分と下流側の外周部分にのみ触媒を担持させているた
めに、下流側の中央部分では燃料の酸化反応の速度が遅
くなるので、触媒担持フィルタのどの部分にも異常な高
温が発生しない。従って、フィルタの各部分に堆積して
いる微粒子には着火に必要な適度の熱量が与えられるの
で、微粒子の着火、燃焼が適正に行われて、フィルタの
再生処理が良好に遂行される。

【００１５】

【発明の効果】前述のようにして触媒担持フィルタのど
の部分にも異常な高温が発生しないので、フィルタの割
れや溶損を防止しながら、フィルタの全域にわたって微
粒子の着火に必要な熱量を供給して、堆積している微粒
子を確実に着火、燃焼させ、良好な状態でフィルタの再
生を行うことができる。

【００１６】

【実施例】図２は本発明の第１の実施例における触媒担
持フィルタ４の、触媒の担持位置を示したものである。
フィルタ４の構造は従来のものと同じであって、多孔質
で通気性のあるセラミック体に多数の手段の細孔が形成
されており、隣接する細孔の１つは下流側の端部で、他
の１つは上流側の端部で閉塞されている。従って、排気
ガスは１つの細孔から流入して他の１つの細孔から流出
する間に、細孔の間の壁を透過しなければならないの
で、その時にパティキュレートが分離して壁面上に捕集
される。第１実施例では、フィルタ４の上流側の部分ａ
の全体、及び下流側の外周部分ｂにのみ触媒４１を担持
させ、下流側の中央部分ｃには触媒を担持させない構成
となっている。触媒は白金系或いはパラジウム系等の酸
化触媒を用いる。

【００１７】このような触媒担持フィルタ４を用いて構
成した排気微粒子浄化装置のシステム例を図１に示す。
図１に示すシステムにおいて、内燃機関１の排気マニホ
ルド２に排気管路３が接続されており、排気管路３には
前述のような態様で触媒を担持させたフィルタ４が接続
されている。更に、フィルタ４の上流と下流には差圧測
定手段５が接続されている。また、フィルタ４内にはそ
の内部温度を測定する手段として測温体６が装着されて
いる。

【００１８】内燃機関１には燃料供給手段として燃料噴
射弁８が装着され、燃料噴射弁８には燃料を送るための
燃料ポンプ７が接続されている。差圧測定手段５及び測
温体６は電子制御装置９に接続され、再生時期、触媒の
活性化状態などが判断される。また、電子制御装置９は
燃料噴射弁８に信号を送り、燃料噴射時期及び噴射量の
制御を行なう。

【００１９】フィルタ４において触媒４１を担持させな
い部分の範囲を定めるためには、前述の図７及び図８に
関する説明を参照する必要がある。つまり、従来技術の
ように、フィルタ４の全域に触媒４１を担持させたもの
について実験を行い、割れや溶損等を防止するための限
界温度を超える領域を探り出す。問題になる領域は必ず
フィルタ４の下流側の中央部分にあるので、フィルタ４
の軸線方向（流れ方向）の下流側端面から、図７に示す
異常高温となる軸方向の長さの範囲で、しかも中心部か
ら図８に示す異常高温となる半径方向の長さの範囲とし
て、筒形の領域が確定する。

【００２０】以下、上記の構成よりなる排気微粒子浄化
装置の動作について、図１及び図２のほか、動作のフロ
ーチャートである図３をも用いて説明する。まず、触媒
担持フィルタ４の再生処理に入るまでのパティキュレー
トの捕集段階の動作について説明する。ステップ１１に
おいて、内燃機関１から流出する排気ガスは、排気マニ
ホルド２と排気管路３を介して触媒担持フィルタ４に流
入し、触媒担持フィルタ４の細孔の間の壁部分を透過す
る際にパティキュレートが細孔の壁面上に捕集されて堆
積する。

【００２１】その間は絶えず差圧測定手段５によって差
圧ΔＰが計測され、電子制御装置９に信号が伝送され
る。そして電子制御装置９では差圧ΔＰが設定値を越え
たか否かが判断される（ステップ１２）。もし、差圧Δ
Ｐが設定値を越えていないと判断された場合はステップ
１１に戻る。

【００２２】パティキュレートの捕集が進み、ステップ
１２において差圧ΔＰが設定値を越えたと判断された場
合、触媒担持フィルタ４を再生処理する段階の動作に移
る。まず、触媒担持フィルタ４の内部に装着された測温
体６により内部温度を測定し、電子制御装置９に信号が
伝送される。電子制御装置９ではその信号をもとにして
触媒担持フィルタ４の触媒が活性化状態にあるか否かが
判断される（ステップ１３）。

【００２３】ステップ１３において、触媒担持フィルタ
４の触媒が活性化状態にないと判断された場合は、ステ
ップ１４に進んで触媒担持フィルタ４に担持された触媒
を活性化させるための動作に移る。以下、ステップ１４
の詳細な内容について説明する。

【００２４】まず、電子制御装置９により、燃料噴射弁
８における燃料噴射量及び噴射時期を制御することによ
り、内燃機関１から排出される排気ガスの温度を上昇さ
せる。そして、温度の上昇した排気ガスが触媒担持フィ
ルタ４に流入することにより、その温度が上昇する。

【００２５】そこで再びステップ１３に戻り、触媒担持
フィルタ４の触媒が活性化状態にあるか否かの判断が行
なわれ、触媒が活性化状態にあると判断されるまでステ
ップ１３とステップ１４を繰り返す。

【００２６】ステップ１３において触媒担持フィルタ４
の触媒が活性化状態にあると判断された場合、ステップ
１５に進んで、触媒担持フィルタ４に捕集されているパ
ティキュレートを燃焼させる段階の動作に移る。以下、
ステップ１５の詳細な内容について説明する。

【００２７】まず、電子制御装置９によって燃料噴射弁
８の燃料噴射量及び噴射時期を制御することにより、未
燃焼の燃料を触媒担持フィルタ４に供給する。それによ
って、触媒担持フィルタ４のうち触媒の担持された上流
側の部分（図２のａの範囲）では、触媒による燃料の酸
化反応熱が発生し、それに上流から流入する排気ガスが
運んで来る伝播熱と、パティキュレートの燃焼熱が加わ
るが、これらの熱のうち上流からの伝播熱が小さいた
め、フィルタ４の上流側の部分では異常な高温となるこ
とはなく、パティキュレートは適温に加熱されて着火、
燃焼する。

【００２８】また、触媒担持フィルタ４の下流側の部分
のうち、触媒が担持されている外周部分（図２のｂの周
辺）においても、触媒による燃料の酸化反応熱に、フィ
ルタ４の上流からの伝播熱と、フィルタ４の上流側の部
分におけるパティキュレートの燃焼熱が加わるが、外部
への放熱が大きいため異常な高温とはならず、パティキ
ュレートは良好に燃焼する。

【００２９】更に、触媒担持フィルタ４の下流側部分の
うち、触媒が担持されない中央部分（図２のｃ周辺）で
は、上流からの伝播熱が大きく、これにパティキュレー
トの燃焼熱と、燃料の酸化反応熱が加わるが、この部分
には触媒がないために燃料の酸化反応速度が低く、この
ため異常な高温となるのを回避することができる。従っ
て、第１実施例によれば、異常高温を生じることはな
く、フィルタ４の良好な再生を行なうことが可能とな
る。

【００３０】図６は本発明の第２の実施例を示したもの
で、排気微粒子浄化装置全体のシステム構成は、図１に
示した第１実施例の場合と同様である。第２実施例にお
いては、フィルタ４の上流側部分ａ及び下流側の外周部
分ｂに触媒４１を担持させると共に、触媒を担持させな
いフィルタ４の下流側の中央部分ｃにおいてもコーティ
ング材４２を塗布した構成となっている。コーティング
材４２は、フィルタ４を形成する多孔質のセラミックに
触媒を付着させるための媒体となるもので、それを塗布
した部分では通気抵抗が増加する。コーティング材４２
としては、例えばγ−アルミナ等からなるものを使用す
る。下流側の中央部分ｃではコーティング材４２の塗布
をしても、それに触媒を付着させない。

【００３１】第２実施例は、このような構成により、触
媒担持部分ａ，ｂにおける圧力損失と、触媒を担持して
いない部分ｃの圧力損失との間の差が小さくなり、排気
ガスがフィルタ４の内部を満遍なく流れるので、パティ
キュレートがフィルタ４の内部に均一に堆積する。それ
によってフィルタ４の再生時期の間隔を可及的に長くす
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の各実施例を説明するための排気微粒子
浄化装置全体のシステム構成図である。

【図２】第１実施例の触媒担持フィルタを示す一部縦断
した斜視図である。

【図３】本発明の排気微粒子浄化装置の動作を説明する
フローチャートである。

【図４】従来技術を説明するための排気微粒子浄化装置
全体のシステム構成図である。

【図５】従来の触媒担持フィルタを示す一部縦断した斜
視図である。

【図６】第２実施例の触媒担持フィルタを示す一部縦断
した斜視図である。

【図７】従来技術の問題点を説明するための線図であ
る。

【図８】従来技術の問題点を説明するための線図であ
る。

【符号の説明】

１…内燃機関 ２…排気マニホルド ３…排気管路 ４…触媒担持フィルタ（本発明による） ４′…触媒担持フィルタ（従来技術による） ５…差圧測定手段 ６…測温体 ７…燃料ポンプ ８…燃料噴射弁 ９…電子制御装置 ａ…上流側部分 ｂ…下流側の外周部分 ｃ…下流側の中央部分 ４１…触媒 ４２…コーティング材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質体からなり、内燃機関の排気ガス
   中に含まれる微粒子を分離して捕集するために排気通路
   に接続され、捕集されて堆積した微粒子を焼却してそれ
   自体を再生する時の発熱手段の一部として、排気ガス中
   の未燃焼燃料の酸化を促進して発熱させる酸化触媒を担
   持している触媒担持フィルタと、 前記触媒担持フィルタに捕集された微粒子の量を検出し
   て再生時期を判定し、再生を開始させる手段と、 前記触媒担持フィルタを再生する時の発熱手段の他の一
   部として前記触媒によって酸化されて発熱する燃料を前
   記触媒担持フィルタの上流へ供給する手段とを備えてい
   る排気微粒子浄化装置において、 前記触媒担持フィルタが、上流側の部分と下流側の外周
   部分に前記触媒を担持していると共に、下流側の中央部
   分には前記触媒を担持していないことを特徴とする内燃
   機関の排気微粒子浄化装置。
2. 【請求項２】 前記触媒担持フィルタの前記下流側の中
   央部分が、前記部分に触媒を担持させた場合に、前記部
   分が所定の限度を超える異常高温となる恐れがある範囲
   として規定される請求項１記載の内燃機関の排気微粒子
   浄化装置。
3. 【請求項３】 前記触媒担持フィルタの前記下流側の中
   央部分にはコーティング材のみが塗布される請求項１又
   は２記載の内燃機関の排気微粒子浄化装置。