WO2002040836A1

WO2002040836A1 - Procede et dispositif de regulation des emissions de gaz d'echappement

Info

Publication number: WO2002040836A1
Application number: PCT/JP2001/008115
Authority: WO
Inventors: Zenichiro Kato; Hiromichi Yanagihara; Toshihisa Sugiyama; Yoshimitsu Henda; Kazuhiko Shiratani; Rentaro Kuroki
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2002-05-23
Also published as: DE60119763T2; US6829891B2; DE60119763D1; EP1335117B1; JP2002213227A; US20020189247A1; EP1335117A1; EP1335117A4

Description

明細: 排気ガス浄化装置、および排気ガスの浄化方法技術分野

この発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれる浮遊微粒子を浄化する技術に関する。背景技術

内燃機関、特にディーゼル機関の排気ガス中には、黒煙（スス）などの含炭素浮遊微粒子が含まれており、大気の汚染を防ぐために、排出される含炭素浮遊微粒子の総量を低減させることが強く要請されている。また、燃焼室内に直接ガソリンを噴射する方式の、いわゆる筒内噴射ガソリン機関からも、運転条件によつては排気ガスとともに含炭素浮遊微粒子が排出される場合があるために、同様の要請が存在する。

これら内燃機関から排出される含炭素浮遊微粒子を大幅に低減可能な技術として、機関の排気通路中に耐熱性のフィルタを設け、排気ガスとともに排出される含炭素浮遊微粒子を該フィルタで捕集する方法が提案されている。かかる方法を用いれば、大気に排出される含炭素浮遊微粒子の総量を大幅に低減することが可能となるが、捕集した含炭素浮遊微粒子を何らかの方法で処理しなければ、フィルタが目詰まりして、機関の性能低下などの種々の弊害を引き起こす。

捕集した含炭素浮遊微粒子を処理する手法としては、例えば、フィルタに白金などの貴金属を担持しておき、貴金属の触媒作用を利用して燃焼させる技術（特公平 7— 1 0 6 2 9 0号）や、排気ガスの温度を意図的に上昇させて、捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させる技術（特開 2 0 0 0— 1 6 1 0 4 4号）などが提案されている。これら技術を適用して含炭素浮遊微粒子を燃焼させれば、フィルタが目詰まりする前に微粒子を処理することが可能である。また、大気に放出される含炭素浮遊微粒子の総量を更に低減するためには、フィルタを、より捕集率の高いものに変更すればよい。

しかし、触媒は使用とともに性能が劣化していくので、長期間使用していると、捕集した含炭素浮遊微粒子を完全に処理することが困難になり、やがてはフィルタが目詰まりしてしまうという問題がある。また、排気ガスの温度を意図的に上昇させる手法は、燃料の化学エネルギを、機関の出力としてではなく熱として取り出すことに相当しているため、機関の出力あるいは燃料消費効率が低下してしまうという問題がある。

このような問題点に鑑みて、本願の発明者らは、捕集した含炭素浮遊微粒子を簡便に処理可能な技術を完成させて、既に特許出願済みである（特願 2 0 0 0— 3 0 0 1 6 7号）。かかる出願の技術においては、排気ガス中の炭化水素系化合物および含炭素浮遊微粒子を、排気ガス中の酸素と接触可能に分散した状態で、耐熱性のフィルタ上に捕集する。こうして分散した状態で捕集すれば、該フィルタに流入する排気ガス温度が含炭素浮遊微粒子の可燃温度より低温であっても、炭化水素系化合物が排気ガス中の酸素でゆつくりと酸化され、反応によって生じた高活性の中間生成物と反応熱とが蓄積されていき、ついには含炭素浮遊微粒子を燃焼させることができる。従って、かかる技術を適用すれば、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを分散した状態でフィルタ上に捕集するだけで、含炭素浮遊微粒子を処理することが可能であり、触媒の劣化によるフィルタの目詰まりや、機関性能の低下といった問題を招くおそれがない。

もっとも、排気ガスに含まれている全ての含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを、排気ガス中の酸素と接触可能に分散した状態でフィルタ上に捕集することは、必ずしも容易なことではなく、従って、微量ではあるが、含炭素浮遊微粒子などがフィルタを通り抜けて大気に放出されることが起こり得る。かといつて、このようなことが起こり得ないように、フィルタの捕集率をあまりに高くしたのでは、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を分散した状態で捕集することが困難となり、捕集した含炭素浮遊微粒子を低温の排気ガスを用いて燃焼させることができなくなる。

本発明は、従来技術における上述の課題を解決しつつ、特許出願済みの上述の技術に更なる改良を加えてなされたものであり、内燃機関の排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を、機関性能を低下させることなく、長期間にわたって安定して処理可能であるとともに、大気に放出される微粒子の総量を、更に低減可能な技術の提供を目的とする。発明の開示

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第 1の排気ガス浄化装置は次の構成を揉用した。すなわち、

内燃機関の排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガス浄化装置において、

前記排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集することにより、流入時の温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガスを用いて、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼させる第 1の耐熱性濾材と、

前記第 1の耐熱性濾材で捕集されずに該耐熱性濾材を通過した前記含炭素浮遊微粒子を捕集する第 2の耐熱性濾材と

を備えることを特徴とする。また、上記の排気ガス浄化装置に対応する本発明の第 1の排気ガスの浄化方法は、

内燃機関の排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガス浄化方法において、第 1の耐熱性濾材を用いて、前記排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散した状態で捕集し、

前記第 1の耐熱性濾材に流入する温度が前記含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガスを用いて、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼させるとともに、

前記第 1の耐熱性濾材で捕集されずに該耐熱性濾材を通過した前記含炭素浮遊微粒子を、第 2の耐熱性濾材を用いて捕集することを特徴とする。かかる第 1の排気ガス浄化装置、およぴ第 1の排気ガスの浄化方法においては、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を、上流側に設けた前記第 1の耐熱性濾材で捕集するとともに、該第 1の耐熱性濾材で捕集されることなく通過した含炭素浮遊微粒子を、該第 1の耐熱性濾材の下流側に設けた第 2の耐熱性濾材で捕集する。

こうして、第 1の耐熱性濾材を通過した含炭素浮遊微粒子を第 2の耐熱性濾材で捕集して浄化すれば、大気に放出される含炭素浮遊微粒子の総量を大幅に減少させることが可能となる。かかる排気ガス浄化装置においては、前記第 2の耐熱性濾材として、前記第 1 の耐熱性濾材が捕集可能な前記含炭素浮遊微粒子よりも、小さな微粒子を捕集可能な濾材を用いることとしても良い。

こうすれば、前記第 1の耐熱性濾材で捕集されずに通過した含炭素浮遊微粒子を、第 2の耐熱性濾材で効果的に捕集することができるので好適である。また、通常は、細かい含炭素浮遊微粒子まで捕集可能とするほど、濾材は目詰まりしゃすくなるが、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子の大部分を前記第 1の耐熱性濾材で捕集しているので、細かい微粒子まで捕集可能な濾材を該第 2の耐熱性濾材として使用しても濾材が目詰まりするおそれはなく、大気に放出される微粒子の総量を一層低減することが可能となる。内燃機関が、複数の燃焼室と、該燃焼室の各々から排出される排気ガスを少なくとも 1つの通路に集合させる集合管と、該集合管によって集められた排気ガスを導いて空気中に排出する排出管とを備えている場合には、次のようにして排気ガス浄化装置を構成しても良い。すなわち、前記第 1の耐熱性濾材を前記集合管内に設けるとともに、前記第 2の耐熱性濾材を前記排出管内に設けても良い。こうすれば、前記第 1の耐熱性濾材は内燃機関の近傍に設けることができるので、該第 1の耐熱性濾材には高温の排気ガスが流入することになり、捕集した含炭素浮遊微粒子が燃焼し易くなるので好ましい。また、前記第 2の耐熱性濾材を、排気ガスが該集合管によって集められた後の前記排気管内に設ければ、該第 2 の耐熱性濾材の交換などの作業が容易になるので好適である。こうした排気ガス浄化装置においては、前記集合管内において前記各燃焼室からの排気ガスが集合する部分に前記第 1の耐熱性濾材を設けることとしてもよい。こうすれば、該第 1の耐熱性濾材を、比較的広い空間に設けることができるので、濾材の形状の自由度が増加してより適切な形状、あるいは適切な大きさの濾材とすることができる。また、集合管内で各燃焼室からの排気ガスが集合する部分は、燃焼室からそれほど離れていないので、該第 1の耐熱性濾材をこうした位置に設ければ依然として高温の排気ガスが流れ込む。このため、濾材形状の適正化と相まって、捕集した含炭素浮遊微粒子を好適に燃焼させることが可能となつて好ましい。かかる排気ガス浄化装置においては、前記内燃機関の潤滑油に添加されている金属成分と該内燃機関の燃料中の硫黄分とに起因して生成され、排気ガス中に浮遊している金属硫酸塩の微粉末の過半を、捕集することなく通過させる濾材を、前記第 1の耐熱性濾材として使用しても良い。

金属硫酸塩は熱的にたいへん安定な物質であることから、前記第 1の耐熱性濾材が排気ガス中の金属硫酸塩を捕集してしまうと、捕集した微粒子の処理は容易ではなく、それだけ目詰まりし易くなる。そこで、該金属硫酸塩の過半を捕集することなく通過させるような濾材を用いれば、濾材の目詰まりを回避することができる。かかる排気ガス浄化装置においては、前記内燃機関の排気ガス通路上に、前記排気ガスによって駆動され、該排気ガス中に含まれる微粒子を粉砕する回転翼を備えることとして、該回転翼の上流側に前記第 1の耐熱性濾材を設けるとともに、該回転翼の下流側に前記第 2の耐熱性濾材を設けることとしても良い。

こうすれば、前記第 1の耐熱性濾材には高温の排気ガスが流入するので、捕集した含炭素浮遊微粒子を容易に燃焼させることが可能となる。また、該第 1の耐熱性濾材を通過した各種の微粒子が前記回転翼で粉砕されるので、前記第 2の耐熱性濾材を通過し易くなる。その結果、金属硫酸塩などの燃焼しにくい微粒子によつて該第 2の耐熱性濾材が目詰まりすることを回避することができるので好適である。内燃機関が、前記排気ガスの流動エネルギを用いて該内燃機関の吸入空気を過給する過給器を備えているに場合は、排気ガスによって駆動される前記過給器のタービンを上記の排気ガス浄化装置の回転翼として利用することができる。前記過給器のタービンは、高速で回転しているために、排気ガス中の微粒子を効果的に粉碎することができ、その結果、前記第 2の耐熱性濾材が目詰まりし難くなるので好適である。こうした過給器を備えた内燃機関に適用される排気ガス浄化装置においては、前記第 2の耐熱性濾材の後流に、該第 2の耐熱性濾材を通過した排気ガス中の大気汚染物質を浄化する浄化触媒を、更に備えることとしてもよい。こうすれば、排気ガス中の一酸化炭素や、いわゆる S O F ( S oluble O rganic F raction ) と呼ばれる可溶性の有機成分などの、ガス状の大気汚染物質を、該浄化触媒で浄化してから大気に放出することができるので好ましい。上述した排気ガス浄化装置においては、前記第 2の耐熱性濾材として、雰囲気中に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで保持するとともに、雰囲気の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素として放出する活性酸素放出剤を担持した濾材を使用しても良い。

活性酸素はたいへんに反応性に富んでいるために、第 2の耐熱性濾材上に捕集された含炭素浮遊微粒子を速やかに酸化させて、二酸化炭素や水などの無害な物質に変換することができる。従って、前記第 2の耐熱性濾材に前記活性酸素放出剤を担持しておけば、内燃機関の運転条件の変化による排気ガス中の酸素濃度の変動に伴って活性酸素を放出し、捕集されている含炭素浮遊微粒子を処理することが可能となるので好適である。また、かかる排気ガス浄化装置においては、前記第 1の耐熱性濾材で排気ガスに含まれる含炭素浮遊微粒子の大部分が捕集さるので、前記第 2の耐熱性濾材に多量の含炭素浮遊微粒子が流入するおそれがない。このため、多量に流入した含炭素浮遊微粒子によって、該第 2の耐熱性濾材の表面が覆われてしまい、過剰酸素の取り込みや活性酸素の放出が困難になるおそれがないので好ましい。上記の排気ガス浄化装置においては、前記活性酸素放出剤に加えて、白金族に属する貴金属触媒を担持した濾材を、前記第 2の耐熱性濾材として使用しても良い。

白金族に属する貴金属は、触媒として使用すると適度な酸化活性を有することが知られている。また、排気ガス中の過剰酸素を取り込んだり、あるいは酸素濃度が低下したときに、取り込んでおいた過剰酸素を活性酸素として放出する反応は、後述するように、酸化還元反応によって成り立つている。従って、適度な酸化活性を有する白金族に属する貴金属触媒を、前記活性酸素放出剤に加えて担持しておけば、過剰酸素を取り込んで活性酸素を放出する反応が促進され、延いては、前記第 2の耐熱性濾材上に捕集されている含炭素浮遊微粒子を効果的に処理することが可能となるので好適である。また、従来技術の有する前述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第 2の排気ガス浄化装置は次の構成を採用した。すなわち、

内燃機関から流速変動を伴って排出される排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を、三次元的に入り組んだ形状の多数の細孔を有する濾材を用いて浄化する排気ガス浄化装置であって、

前記排気ガスを前記含炭素浮遊微粒子よりも大きな前記細孔に流入させ、前記濾材中で該細孔を形成する部位に該含炭素浮遊微粒子を衝突付着させることによつて、該含炭素浮遊微粒子を捕集する第 1の耐熱性濾材と、

前記第 1の耐熱性濾材を通過した前記排気ガスを濾過することによって、該排気ガス中の前記炭素浮遊微粒子を捕集する第 2の耐熱性濾材と、

前記第 2の耐熱性濾材に流入する排気ガスの流速変動を緩和させる流速変動緩和手段と

を備えることを要旨とする。また、上記の排気ガス浄化装置に対応する本発明の第 2の排気ガス浄化方法は内燃機関から流速変動を伴って排出される排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を、三次元的に入り組んだ形状の多数の細孔を有する濾材を用いて浄化する排気ガス浄化方法であって、

前記排気ガスを前記含炭素浮遊微粒子よりも大きな前記細孔に流入させ、前記濾材中で該細孔を形成する部位に該含炭素浮遊微粒子を衝突付着させることによつて、該含炭素浮遊微粒子を捕集し、

前記排気ガスの流速変動を緩和させた後、

前記流速変動の緩和された排気ガスを濾過することによって、前記含炭素浮遊微粒子を捕集することを要旨とする。かかる本発明の第 2の排気ガス浄化装置およぴ第 2の排気ガス浄化方法においては、含炭素浮遊微粒子を含んだ排気ガスを、流速変動を伴ったまま第 1の耐熱性濾材に流入させる。ここで、第 1の耐熱性濾材には、含炭素浮遊微粒子よりも大きな細孔が含まれており、かかる細孔に排気ガスを流入させて、該濾材中で該細孔を形成する部位に該含炭素浮遊微粒子を衝突付着させることにより、含炭素浮遊微粒子をいわば動的に捕集する。次いで、第 1の耐熱性濾材を通過した排気ガスを、第 2の耐熱性濾材によって濾過することにより、該排気ガス中の含炭素浮遊微粒子をいわば静的に捕集する。このとき、流速変動を緩和させてから排気ガスを該第 2の耐熱性濾材に流入させる。尚、「動的に捕集する」および「静的に捕集する」がそれぞれ意味するところについては後述する。こうすれば、以下に説明する理由から、濾材を目詰まりさせることなく、排気ガスに含まれる含炭素浮遊微粒子を効率的に浄化することができる。

まず、第 1の耐熱性濾材では、該濾材中で細孔を形成する部位に、含炭素浮遊微粒子を衝突付着させて、いわば動的に捕集する。これを、図 1 7を用いて説明する。図 1 7 ( a ) は、排気ガスが、第 1の耐熱性濾材の内部に形成された細孔を通過する様子を概念的に示した説明図である。図中で、ハッチングを付して表示されている部分は、細孔を形成する部材を模式的に表したものである。排気ガスは、これら部材の間に形成された細孔を通過していく。図中で矢印で表されているのは、細孔を通過する排気ガスの流れを模式的に示したものである。耐熱性濾材の内部に形成された細孔は三次元的に入り組んだ形状をしており、排気ガスは、図示されているように幾度と無く流れの向きを変えながら細孔内を通過していく。ここで、排気ガスが流れの向きを変える際に、小さな微粒子は流れの向きを容易に変えて排気ガスとともに細孔内を通過して行く力大きな微粒子は容易には流れの向きを変えることができないので、細孔の内面に衝突することになる図 1 7 ( b ) は、この様子を詳しく表示した概念図である。図中の実線の矢印は排気ガスの流れを示し、破線の矢印は排気ガス中の微粒子の流れを示している。排気ガスが流れの向きを変えたときに、小さな微粒子 P s は、排気ガスの流れに乗って向きを変えながら流れて行くが、大きな微粒子 P L は、排気ガスとともに流れの向きを変えることができずに、細孔の内面に衝突してしまう。排気ガス中の含炭素浮遊微粒子には、未燃の燃料やエンジンオイルなどに由来する湿潤成分が含まれており、細孔の内面に衝突した微粒子は、これら湿潤成分の作用によつて、そのまま細孔の内面に付着して捕集される。

排気ガスが流れの向きを変えることに伴って排気ガス中の微粒子も流れの向きを変えるのは、流体（ここでは排気ガス）の粘性の作用によるものである。すなわち、排気ガスが流れの向きを変えた直後は、微粒子は慣性によってそのままの方向に進もうとするが、そうすると微粒子が排気ガスの流れを横切るような状況となって、微粒子が排気ガスの流れから抵抗を受けることになる。より詳しくは、微粒子と、該微粒子を取り巻く排気ガスとの進行方向が異なるため、微粒子表面で大きな速度勾配が生じ、この速度勾配に粘性係数を乗算した力が微粒子に作用する。排気ガス中の微粒子は、この粘性に基づく力によって向きを変えるのである。排気ガスとともに微粒子が流れの向きを変える現象が、流体が粘性によつて微粒子に力を及ぼしていることによるものであることを踏まえれば、微粒子が排気ガスとともに流れの向きを変える変え易さの程度は、レイノズル数 R eを用いて整理可能なことが理解できる。レイノズル数 R eとは、次式によって表される無次元数である。

R e = U d / V

ここで、 Uは流速であり、 dは微粒子の大きさ、 Vは排気ガスの動粘性係数である。レイノズル数は、物理的には、流れの状態が流体の粘性によって支配される程度を示しており、レイノズル数 R eが小さくなるほど、流れは粘性の影響を強く受け、逆にレイノズル数 R eが大きくなるほど、慣性の影響を強く受けるようになる。

上式から明らかなように、排気ガスに含まれる含炭素浮遊微粒子の粒径が小さくなるほど、レイノズル数 R eが小さくなるので、粘性の影響が強く現れることになり、その結果、微粒子は容易に流れの向きを変えて、排気ガスとともに細孔内を流れていく。これに対して、含炭素浮遊微粒子が大きくなるとレイノズル数 R eも大きくなるので、相対的に粘性の影響が現れ難く、逆に慣性の影響が現れ易くなる。その結果、排気ガスの流れの向きが変わっても、微粒子は流れの向きを容易に変えることができず、細孔内面に衝突して捕集されるのである。本明細書中で「動的に捕集する」とは、以上に説明したメカニズムによって、微粒子を衝突付着させて捕集することを言う。第 1の耐熱性濾材は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を動的に捕集することにより、大きな微粒子を主に捕集する。続く第 2の耐熱性濾材では、第 1の耐熱性濾材を通過した排気ガスを濾過することによって、該排気ガス中に含まれる小さな含炭素浮遊微粒子を、いわば静的に捕集する。すなわち、第 2の耐熱性濾材には、小さな細孔あるいは狭い間隙が多数設けられており、該第 2の耐熱性濾材を用いて、含炭素浮遊微粒子を含んだ排気ガスを濾過することによって、これら細孔あるいは間隙を通過できない微粒子を捕集するのである。本明細書中で「静的に捕集する」とは、上述したように衝突付着させるのではなく、排気ガス中の微粒子を静かに濾過するようにして捕集することを言う。前述した「動的に捕集する」場合は、微粒子の大きさよりも大きな細孔に排気ガスを流入させることで該微粒子を捕集するのに対して、「静的に捕集する」場合は、微粒子と略同じあるいは微粒子より小さな細孔もしくは間隙に排気ガスを流入させて微粒子を捕集している点で、捕集方式が大きく異なつている。

細かい細孔や狭い間隙を有する濾材を用いて、排気ガス中の微粒子を「静的に捕集する」場合、大きな微粒子が含まれていると、細孔や間隙が直ぐに目詰まりしてしまう。これに対して、排気ガス中の微粒子を「静的に捕集」する前に、大きな微粒子を「動的に捕集」しておけば、排気ガスを静的に濾過している濾材を目詰まりし難くすることができる。ここで、本発明の第 2の排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法では、前記第 1の耐熱性濾材には流速変動を伴ったまま排気ガスを流入させ、前記第 2の耐熱性濾材には流速変動を緩和させてから排気ガスを流入させることで、濾材を更に目詰まりさせ難くするとともに、より効率的に微粒子を捕集することが可能となっている。すなわち、第 1の耐熱性濾材に流入する排気ガスに流速変動が含まれていると、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子は、速度変動分だけ速い速度で細孔内面に向かって流れ込むことになり、その結果として、より小さな微粒子も衝突付着されることになる。なぜなら、細孔内面に向かって流れ込む流速が増加すれば、上述のレイノズル数 R eが大きくなるので、その分だけ小さな微粒子にも慣性の影響が強く現れることとなり、微粒子が流れの向きを変えずに細孔内面に衝突し易くなるからである。第 1の耐熱性濾材では、以上のようなメカニズムによって、大きな含炭素浮遊微粒子を効果的に捕集することができるが、小さな含炭素浮遊微粒子は排気ガスとともに通過してしまう。そこで、該第 1の耐熱性濾材を通過した排気ガスを、第 2の耐熱性濾材に流入させる。ここで、流速変動を緩和させてから排気ガスを流入させているので、第 2の耐熱性濾材の表面付近で、細かな微粒子が排気ガスの流速変動に乗って動き回るようなことがない。このため、排気ガス中の小さな含炭素微粒子を速やかに捕集することができる。

また、前述したように、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子には、未燃の燃料ゃェンジンオイルなどに由来する湿潤成分が含まれているので、第 2の耐熱性濾材の表面付近で細かな微粒子が動き回ると、他の微粒子と二次凝集して次第に大きな微粒子を形成し、この大きな微粒子によって第 2の耐熱性濾材が目詰まりを起こし易くなる。これに対して、流速変動を緩和させた排気ガスを第 2の耐熱性濾材に流入させることとすれば、こうした大きな含炭素浮遊微粒子によって目詰まりするおそれが無く、微粒子を効率的に捕集することが可能となる。以上に説明したように、本発明の第 2の排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法においては、排気ガスを流速変動を伴ったまま第 1の耐熱性濾材に流入させることで、より細かな含炭素浮遊微粒子まで動的に捕集することが可能となっており、その分だけ、第 2の耐熱性濾材には小さな含炭素浮遊微粒子が流入することになるので、目詰まりし難くなつている。加えて、第 2の耐熱性濾材に流入する排気ガスは、流速変動が緩和されているので、第 2の耐熱性濾材では細かな含炭素浮遊微粒子を速やかに捕集することが可能であり、また、凝集した微粒子などによる濾材の目詰まりも生じ難くすることが可能である。また、前述したように、排気ガス中には含炭素浮遊微粒子の他にも、内燃機関の潤滑油に添加されている金属成分と内燃機関の燃料中の硫黄分とに起因して生成される金属硫酸鉛の微粉末が含まれているが、かかる微粉末は、微粒子を動的に捕集する第 1の耐熱性濾材で捕集されるほどには大きくない。従って、第 1の耐熱性濾材を用いれば、こうした熱的に安定な金属硫酸鉛の微粉末によって濾材が目詰まりするおそれがないので好ましい。もちろん、第 1の耐熱性濾材を通過した微粉末が、第 2の耐熱性濾材に捕集される可能性はあるが、第 2の耐熱性濾材は、第 1の耐熱性濾材に比べて保守の容易な位置に搭載されていることから、例え、第 2の耐熱性濾材が目詰まりした場合であっても、保守作業が容易となるので好ましい。かかる本発明の第 2の排気ガス浄化装置においては、前記第 1の耐熱性濾材ぉよび前記第 2の耐熱性濾材として、それぞれ次のような濾材を用いることとしてもよい。すなわち、第 1の耐熱性濾材として、前記排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集することにより、流入時の温度が含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガスを用いて、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼させる濾材を用いてもよい。また、前記第 2の耐熱性濾材としては、雰囲気中に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで保持するとともに、雰囲気の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素として放出する活性酸素放出剤を担持した濾材を用いることとしてもよい。

こうした第 1の耐熱性濾材では、比較的大きな含炭素浮遊微粒子を捕集することから、排気ガス中の炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子を、排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集することを容易に実現することが可能であり、従つて、捕集した含炭素浮遊微粒子を確実に燃焼させることができる。こうして、大きな含炭素浮遊微粒子を捕集すれば、第 2の耐熱性濾材では、主に小さな含炭素浮遊微粒子が捕集されることになる。第 2の耐熱性濾材で捕集する含炭素浮遊微粒子が小さい微粒子であれば、捕集した微粒子を活性酸素によって速やかに処理することができるので、第 2の耐熱性濾材が目詰まりし難くなる。また、捕集した微粒子を速やかに処理すれば、新たな微粒子を捕集することができるので、含炭素浮遊微粒子の捕集効率を向上させることも可能となる。こうした排気ガス浄化装置においては、第 2の耐熱性濾材に流入する排気ガスの流速変動を緩和させる手段として、前記排気ガスの流動エネルギによって駆動され前記内燃機関の吸入空気を過給する過給器を、前記第 1の耐熱性濾材と該第 2の耐熱性濾材との間に設けることができる。すなわち、こうした過給器は流体力学的には、いわゆる絞り要素として働くので、過給器を通過することで排気ガスの流速変動が減少する。その結果、上述した理由から、第 2の耐熱性濾材において、排気ガス中の細かな含炭素浮遊微粒子を効率的に捕集することが可能となり、更に、濾材も目詰まりし難くなるので好ましい。

もちろん、過給器に代えて、該第 1の耐熱性濾材と該第 2の耐熱性濾材との間で排気ガス通路を狭くしたり、あるいはいわゆるオリフィスを設けることとしたり、更には、流体力学上のいわゆる容積要素を設けることによって、流速変動を緩和させることとしてもよい。容積要素とは、通路の途中に揷入されたタンク状の部分を言う。排気ガスの流れる通路の途中に、これらの要素のいずれかを設けておけば、この部分で、排気ガスの流速変動を緩和させることが可能である。但し、過給器を用いれば、内燃機関の出力を向上させることが可能となるので、より好ましい。前記第 1の耐熱性濾材と前記第 2の耐熱性濾材との間に過給器を設けた排気ガス浄化装置においては、該第 2の耐熱性濾材の後流に、いわゆる絞り要素を設けることとしてもよレ、。絞り要素とは、排気ガス通路を狭くしたりオリフィスを設けたりするなど、通路抵抗を意図的に大きくして、排気ガスの流れを抑制している部分を言う。過給器に加えて、前記第 2の耐熱性濾材の後流に絞り要素を設ければ、該第 2の耐熱性濾材に流入する排気ガスの流速変動を更に抑制することができるので好ましい。

こうした第 2の耐熱性濾材の後流側に設ける絞り要素としては、排気ガス中の大気汚染物質を浄化する浄化触媒を設けることとしてもよい。排気ガス中には、含炭素浮遊微粒子に加えて、一酸化炭素や、 S O F ( S oluble O rganic F ra ction ) と呼ばれる可溶性の有機成分などの、ガス状の大気汚染物質が含まれている。第 2の耐熱性濾材の後流に、絞り要素として浄化触媒を設けておけば、こららの大気汚染物質を浄化することができるので好ましい。また、こうして浄化触媒を設けておけば、例え、第 1の耐熱性濾材で捕集された含炭素浮遊微粒子が燃焼する際に、何らかの理由で、一酸化炭素などの大気汚染物質が発生することがあっても、これらが大気に放出されることを回避することができるので好ましレ、。図面の簡単な説明

図 1は、第 1実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンの構成を示す説明図。

図 2は、本実施例のパティキュレートフィルタの外観形状および構造を示す説明図。

図 3は、本実施例のパティキュレートフィルタで排気ガス中の微粒子が捕集される様子を概念的に示す説明図。

図 4は、本実施例のパティキュレートフィルタで用いられる不織布の諸元を例示した説明図。

図 5は、本実施例の変形例のパティキュレートフィルタで排気ガス中の微粒子が捕集される様子を概念的に示す説明図。

図 6は、第 1実施例の排気ガス浄化装置において下流側に設けられるパティキュレートフィルタの構造を示す説明図。図 7は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる浮遊微粒子や炭化水素系化合物の比率を示す説明図。

図 8は、本実施例の排気ガス浄化装置の上流側に設けられたパティキュレートフィルタが有する自然再生機能を示す概念図。

図 9は、上流側に設けられたパティキュレートフィルタが、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を分散して捕集する様子を示す概念図。

図 1 0は、第 1実施例の変形例の排気ガス浄化装置において、上流側のパティキュレートフィルタと下流側のパティキュレートフィルタとを近接して配置した様子を示す説明図。

図 1 1は、第 1実施例の他の変形例の排気ガス浄化装置において、排気ガス通路の集合部に下流側のパティキュレートフィルタを配置した様子を示す説明図。図 1 2は、第 2実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンの構成を示す説明図。

図 1 3は、第 2実施例の排気ガス浄化装置の下流側に設けられたパティキユレートフィルタが有する活性酸素放出機能を示す概念図。

図 1 4は、第 3実施例の排気ガス浄化装置を適用したディーゼルエンジンの構成を示す説明図。

図 1 5は、第 3実施例の排気ガス浄化装置における各種変形例を示す概念図。図 1 6は、第 3実施例の排気ガス浄化装置における他の変形例を示す概念図。図 1 7は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を衝突付着させて捕集する原理を示す概念図。発明を実施するための最良の形態 . 本発明の作用 ·効果をより明確に説明するために、次のような順序に従って、本発明の実施例を説明する。

A . 第 1実施例： A - 1 . 装置構成：

A— 1— 1 . エンジンの構成：

A - 1 - 2 . パティキュレートフィルタの概要：

A - 2 . 第 1実施例における含炭素浮遊微粒子の浄化作用：

A - 2 ~ 1 . 上流側パティキュレートフィルタ 1 0 0の有する浄化作用：

A - 2 ~ 2 . 下流側パティキュレートフィルタ 2 0 0の有する補完作用： A - 3 . 変形例：

B . 第 2実施例：

B— 1 . 装置構成：

B - 1 - 1 . 下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0の概要：

B - 1 - 2 . パティキュレートフィルタ 3 0 0の活性酸素放出機能： B— 2 . 第 2実施例における含炭素浮遊微粒子の浄化作用： '

C . 第 3実施例：

C— 1 . 変形例：

A . 第 1実施例：

A— 1 . 装置構成：

以下、本発明の排気ガス浄化装置を、ディーゼルエンジンに適用した実施例について説明する。もちろん、ディーゼルエンジンに限らず、燃料をシリンダ内に直接噴射する方式のガソリンエンジンなど、他の内燃機関に適用することもできる。また、本発明は、車両や船舶搭載用あるいは定置用などのあらゆる内燃機関に適用することが可能である。

A— 1— 1 . エンジンの構成：

図 1は、第 1実施例の排気ガス浄化装置を装着したディーゼルエンジン 1 0の概略構成を示した説明図である。ディーゼルエンジン 1 0は、いわゆる 4気筒ェンジンであり、 # 1ないし # 4の 4つの燃焼室を有している。各燃焼室には吸気管 1 2を介して空気が供給され、各燃焼室に設けられた燃料噴射弁 1 4から燃料が噴射されると、燃焼室内で空気と燃料とが燃焼する。燃焼によって生じた排気ガスは、排気マ二ホールド 1 6を介して排気管 1 7から大気中に排出される。排気管 1 7の途中には、過給器 2 0が設けられている。過給器 2 0は、排気管 1 7内に設けられたタービン 2 1と、吸気管 1 2内に設けられたコンプレッサ 2 2と、タービン 2 1とコンプレッサ 2 2とをつなぐシャフト 2 3とから構成されている。燃焼室から排出された排気ガスが過給器 2 0のタービン 2 1を回すと、シャフト 2 3を介してコンプレッサ 2 2が回転し、空気を圧縮して各燃焼室内に供給する。コンプレッサ 2 2の上流側にはエアクリーナ 2 6が設けられており、コンプレッサ 2 2はエアクリーナ 2 6から取り入れた空気を圧縮して燃焼室内に供給する。コンプレッサ 2 2で圧縮すると空気の温度が上昇するので、コンプレッサ 2 2の下流には空気を冷却するためのィンタークーラ 2 4が設けられていて、圧縮した空気をィンターク一ラ 2 4で冷却した後に、燃焼室内に供給することも可能である。

排気マ二ホールド 1 6内には、 # 1ないし # 4の各燃焼室毎にパティキュレー. トフィルタ 1 0 0が設けられており、また排気管 1 7内には、パティキュレートフィルタ 2 0 0が設けられている。すなわち、パティキュレートフィルタ 1 0 0 はタービン 2 1の上流側に、パティキュレートフィルタ 2 0 0はタービン 2 1の下流側にそれぞれ設けられていることになる。タービン 2 1の上流側に設けられたパティキュレートフィルタ 1 0 0は、排気ガス中に含まれる浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを捕集するとともに、該炭化水素系化合物の反応熱を利用して、捕集した浮遊微粒子を比較的低温の排気ガス中で燃焼させることができる。タービン 2 1の下流側に設けられたパティキュレートフィルタ 2 0 0は、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を通過した含炭素浮遊微粒子などを捕集する。それぞれのパティキュレートフィルタ 1 0 0， 2 0 0については後述する。尚、パティキュレートフィルタ 1 0 0は、排気マエホールド 1 6内ではなく、タービン 2 1の上流側の排気管 1 7内に設けても良い。パティキュレートフィルタ 1 0 0を排気マ二ホールド 1 6内に設けた場合には、燃焼室から噴出する排気ガスの動圧をフィルタで効果的に熱に変換することが可能であり、フィルタ上に捕集した含炭素浮遊微粒子の燃焼をその分だけ促進することができるので好ましレ、。また、パティキュレートフィルタ 1 0 0をタービン 2 1の上流側の排気管 1 7内に設けることとすれば、空間的な制約をさほど受けずにすむので大容量のフルタを搭載することが可能となって好ましい。

燃料供給ポンプ 1 8および燃料噴射弁 1 4は、エンジン制御用 E C U 3 0の制御のもとで、適切な量の燃料を適切なタイミングで燃焼室内に噴射する。ェンジン制御用 E C U 3 0は、エンジン回転速度 N eやアクセル開度 0 a cといったェンジンの運転条件を検出し、運転条件に応じて燃料供給ポンプ 1 8や燃料噴射弁

1 4などを適切に制御する。

A— 1— 2 . パティキュレートフィルタの概要：

初めに、タービン 2 1の上流側に燃焼室毎に設けられたパティキュレートフィルタ 1 0 0について説明し、次に、タービン 2 1の下流側に設けられたパティキュレートフィルタ 2 0 0について説明する。

( 1 ) 上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0の概要：

図 2は、タービン 2 1の上流側に装着されているパティキュレートフイノレタ 1 0 0の外観形状を示す斜視図である。理解を容易にするために、一部分の断面をとって内部構造を拡大して表示している。パティキュレートフィルタ 1 0 0は、円筒状のケース 1 0 2と、ケース 1 0 2内に挿入されて外周をケースに溶接されたエレメント 1 0 4とから構成されている。エレメント 1 0 4は、耐熱金属製の不織布 1 0 6と同じく耐熱金属製の波板 1 0 8とを重ねて、中心棒 1 1 0を芯にして円筒状に巻き付けたロール構造となっている。本実施例のパティキュレートフィルタ 1 0 0で用いるエレメント 1 0 4は、外径が約 5 5 m m、長さが約 4 0 mmのものを使用している。もちろん、これら寸法は、ディーゼルエンジンの排気量や、排気マ-ホールド 1 6あるいは排気管 1 7の内径などにあわせて、適宜変更することができる。

不織布 1 0 6は波板 1 0 8とともに卷き付けられているので、不織布 1 0 6同士の間隔は、波板 1 0 8によって所定の間隔に保たれており、不織布 1 0 6と波板 1 0 8との間には、中心棒 1 1 0の軸方向に沿って多数の通路が形成されている。エレメント 1 0 4の両側には、封止板 1 1 2が溶接されている。封止板 1 1 2は、不織布 1 0 6と波板 1 0 8との間に形成された通路を互い違いに閉塞して、排気ガスが不織布 1 0 6を通過する構造を形成する。図 3を参照して、封止板 1 1 2により排気ガスが不織布 1 0 6を通過する構造が形成される様子を説明する。図 3は、パティキュレートフィルタ 1 0 0の断面構造を概念的に示す説明図である。尚、図が煩雑になる.ことを防ぐために、図 3では、波板 1 0 8の表示は省略している。図示するように、封止板 1 1 2は、所定の間隔に保たれて隣接する不織布 1 0 6の間に形成される通路を、互い違いになるように閉塞する。このため、図 3に矢印で示したように、図の左側から排気ガスが流れてくると、封止板 1 1 2で塞がれていない通路にー且は流入するが、通路の出口側は封止板 1 1 2 で塞がれている。そこで排気ガスは、図中に太い矢印に示すように、通路側面を構成する不織布 1 0 6を通って、出口側が塞がれていない通路に抜けていく。こうして排気ガスが不織布 1 0 6を抜ける際に、排気ガス中に含まれているススなどの浮遊微粒子を不織布 1 0 6によって捕集することができる。ここで、不織布 1 0 6は、図 4に例示するような所定範囲の諸元を有する鉄系の耐熱合金製不織布が使用されており、このため、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を、排気ガス中の酸素と接触可能に分散した状態で捕集することができる。このように、浮遊微粒子を 3次元的に分散した状態で捕集すると、後述するように、捕集した微粒子がある程度の量に達した時点で自然に着火して燃焼させることができる。含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が分散した状態で捕集されるメカニズムおよび、分散して捕集することで捕集した含炭素浮遊微粒子が自然に燃焼するメカニズムについては後述する。

ここで、図 4中に示す「平均繊維径」とは、不織布を形成する金属繊維の平均直径を示す。金属不織布は、無数の金属繊維が複雑に絡み合って形成されており、金属繊維の間には、複雑に分岐した 3次元的な通路が形成されている。また、

「平均細孔径」とは、金属繊維間に形成された通路断面の大きさを表す指標である。本明細書中では、いわゆる Washburn の式に基づいて計測された細孔径の平均値であり、細孔容積の累積値が 5 0 %となる細孔径を用いている。異なる周知の計測方法を用いて計測した場合は、平均細孔径の数値自体は変動し得ることは言うまでもない。もちろん、最も簡便には、金属不織布表面あるいは断面を顕微鏡で観察して、目視によって計測することもできる。

尚、上述の図 4に示した不織布の諸元はあくまでも例示であって、不織布の諸元は図中に例示された値に限定されるものではない。また、本実施例では、鉄系の耐熱合金製の金属不織布を用いているが、周知の他の耐熱性の金属不織布を用いても構わない。上述した本実施例のエレメント 1 0 4は、エレメント 1 0 4の両端に封止板 1 1 2を溶接して形成されているものとして説明したが、以下に説明するように、封止板 1 1 2を用いない構造としてもよい。

図 5は、封止板を用いない構造のェレメントを備えるパティキュレートフィルタ 1 0 0の断面図である。図 5では、図が煩雑となることをさけるために、波板 1 0 8の表示は省略している。前述した図 3では、不織布 1 0 6の両端に互い違いに封止板 1 1 2を溶接したが、封止板を溶接する代わりに、図 5に示すように、不織布同士を端部 1 1 3で互いに溶接してもよい。こうすれば封止板 1 1 2を省略することができるので、パティキュレートフィルタ 1 0 0をより簡便に製造することができる。

( 2 ) 下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0の概要：

図 6は、タービン 2 1の下流側に設けたパティキュレートフィルタ 2 0 0の構造を示す説明図である。図 6 ( a ) は、パティキュレートフィルタ 2 0 0を排気ガスが流入する側から見た正面図であり、図 6 ( b ) は側断面図である。図示するように、タービン 2 1の下流側に設けられたパティキュレートフィルタ 2 0 0 は、いわゆるハニカム構造をしたコージライト製のセラミックスフィルタである。ハュカム構造をしたパティキュレートフィルタ 2 0 0の内部には、排気ガスが通過する多数の通路 2 0 2が形成されており、これら通路の上流側あるいは下流側の一端には、図示するように互い違いに目止め 2 0 4が設けられている。図 6 では、目止め 2◦ 4をハッチングを付して示している。

排気ガスが、図 6 ( b ) の左側から流れてくると、上流側に目止め 2 0 4が設けられていない通路 2 0 2力ら、パティキュレートフィルタ 2 0 0内に流入する。しかし、その通路の下流側は目止め 2 0 4で閉塞されているので、図 6 ( b ) に矢印で示すように、通路 2 0 2の隔壁 2 0 6を通って、下流側に目止め 2 0 4 のされていない通路 2 0 2に抜けて行く。コージライトは焼成持に内部に多孔質構造が形成されており、排気ガスが隔壁 2 0 6内の多孔質構造を通過する際に、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子などが捕集される。

尚、タービン 2 1の下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0は、必ずしもセラミックスフィルタに限られず、タービン 2 1の上流側に設けたパティキュレートフィルタ 1 0 0の細孔径と同等か、あるいはパティキュレートフィルタ 1 0 0 よりも小さな細孔径分布を有するものであれば、他の周知の耐熱性フィルタを使用することができる。

A— 2 . 第 1実施例における含炭素浮遊微粒子の浄化作用：

タービン 2 1の上流側にパティキュレートフィルタ 1 0 0を設け、下流側にパティキュレートフィルタ 2 0 0を設けた第 1実施例の排気ガス浄化装置における含炭素浮遊微粒子の浄化作用について説明する。第 1実施例の排気ガス浄化装置では、上流側に設けたパティキュレートフィルタ 1 0 0と下流側のパティキユレートフィルタ 2 0 0とが、後述するように互いに補完的に機能することで、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を効率的に浄化することができる。以下では、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0の有する「自然再生機能」について説明した後、これを補完する下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0の機能について説明する。

A— 2 — 1 . 上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0の有する浄化作用：パティキュレートフィルタ 1 0 0の不織布 1 0 6は、図 4に例示するような所定範囲の諸元を有する耐熱性不織布が用いられている。このため、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物は、不織布 1 0 6の内部に分散した状態で、排気ガス中の酸素と接触可能な状態で捕集されることになる。このような分散した状態で捕集しておくと、排気ガス温度が含炭素浮遊微粒子の着火温度より低温であっても、微粒子の捕集量がある程度に達した時点で自然に着火し、フィルタ上に捕集されている含炭素浮遊微粒子を燃焼させることができる。パティキュレートフィルタ 1 0 0の有するこのような機能を、本明細書では「自然再生機能」と呼んでいる。かかる「自然再生機能」のメカニズムについては全てが解明されたわけではないが、現時点で推定されるメカニズムについて簡単に説明する。ディーゼルエンジンの排気ガス中には、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が、図 7に示すような割合で含まれていることが分かっている。すなわち、おおまかに言えば、ススなどの浮遊微粒子と、燃料に起因する炭化水素系化合物と、潤滑油に起因する炭化水素系化合物とが、ほぼ同じ割合で含まれている。ススなどの含炭素浮遊微粒子は、酸素を含んだ排気ガス雰囲気中でも通常は 5 5 0 °C以上にならないと燃焼しないと言われている。これに対して、燃料や潤滑油に起因する炭化水素系化合物は、酸素さえ供給されれば、 5 5 0 °Cより低い温度でも何らかの酸化反応が起こり得る。

本実施例のパティキュレートフィルタ 1 0 0は、排気ガス中の浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを、不織布内部に 3次元的に分散した状態で捕集する。このため、捕集された炭化水素系化合物は、排気ガス中の酸素が十分に供給される状態になっており、排気ガスの温度によってゆっくりとした酸化反応（発熱反応）を開始して、フィルタ温度を次第に上昇させるとともに、反応性に富んだ中間生成物を蓄積していく。この結果、浮遊微粒子および炭化水素系化合物がある程度フィルタに捕集された時点でフィルタ温度が 5 5 0 °C以上となり、フィルタ上の微粒子と炭化水素系化合物とを一気に燃焼させることができる。図 8は、本実施例のパティキュレートフィルタ 1 0 0が自然再生を行う様子を概念的に示した説明図である。図 8 ( a ) は、ディーゼルエンジン 1 0の排気管 1 6内にパティキュレートフィルタ 1 0 0が装着されている様子を模式的に示している。図 8 ( b ) は、ディーゼルエンジン 1 0を一定条件で運転しながら、フィルタ前後の差圧 d Pおよびフィルタに流れ込む排気ガス温度 T g、フィルタ温度 T f を計測して得られた結果を概念的に示す説明図である。フィルタ前後の差圧 d Pは、フィルタ上流側および下流側に設けた圧力センサ 6 4 , 6 6を用いて検出する。

ディーゼルエンジン 1 0の運転を開始すると、排気ガス温度 T gおよびフィルタ温度 T f が直ちに上昇して定常温度に達する。このとき、実際には、フィルタ温度 T f は排気ガス温度 T gよりも高い値となるが、説明を簡明にする観点から、ここでは 2つの温度に有意な差は無いものとして説明する。

パティキュレートフィルタ 1 0 0が新品の場合、フィルタ前後の差圧 d Pは初めの間は次第に増加して行くが、やがて一定値に安定する。フィルタ前後の差圧が一定値に安定するのは、本実施例のパティキュレートフィルタ 1 0 0が、排気ガス中の浮遊微粒子をフィルタ表面だけでなく、フィルタ内部に 3次元的に捕集するためである。差圧が安定する値は主にフィルタの設計緒元によつて変化するが、代表的には新品時差圧の 3倍ないし 4倍程度の値となることが多い。説明の便宜上、ディーゼルエンジン 1 0の運転を開始してから、フィルタ前後の差圧が安定するまでの期間を、「第 1期」と呼ぶことにする。

フィルタ前後の差圧が安定した後、ディーゼルエンジン 1 0をしばらく運転していると、排気ガス温度 T gは変化しないにも関わらず、フィルタ温度 T f が少しずつ上昇し始める。フィルタ温度 T f と排気ガス温度 T gとの乖離は次第に大きくなり、ついにはフィルタ温度 T f が 5 5 0 °C前後に達する。この間、ススなどの浮遊微粒子および炭化水素系化合物がフィルタで捕集されることに伴って、フィルタ前後の差圧 d Pはごく僅かに増加する傾向にあるが、有意な増加量を計測できない場合もある。

フィルタ温度 T f が上昇して 5 5 0 °C付近に達すると、フィルタに捕集されたススなどの微粒子が燃焼し始め、捕集した微粒子が全て燃焼すると、フィルタ温度 T f は排気ガス温度 T g付近の温度まで速やかに低下する。排気ガス中のススなどが捕集されることによるフィルタ前後での差圧 d Pの増加を検出可能な場合には、フィルタ上でススなどが燃焼するときに差圧 d Pの低下を検出することができる。第 1期が終了した後に、フィルタ温度 T f が排気ガス温度 T gから次第に乖離していき、再び排気ガス温度 T gに低下するまでの期間を「第 2期」と呼ぶことにする。尚、第 1期の期間は第 2期の期間に比べてかなり短いが、図 8では表示上の理由から、第 1期の期間を第 2期に対して実際よりも長く表示している。

フィルタに捕集されたススなどが燃焼し終わって、フィルタ温度 T f が排気ガス温度 T g付近の温度に低下しても、しばらくすると再びフィルタ温度 T f が上昇し始め、やがて 5 5 0 °Cに達して捕集したススなどが燃焼する。このように、フィルタはいつまでも第 2期の状態に保たれて、排気ガス中に含まれるススなどの捕集と燃焼とを繰り返す。以上が、パティキュレートフィルタ 1 0 0の有する自然再生機能の第 1の形態である。

排気ガス温度 T gが高い条件では、自然再生機能の第 2の形態が発現する。図 8 ( c ) は、図 8 ( b ) の条件に対して排気ガス温度が若干高い（代表的には 5 0 °C) 条件でディーゼルエンジン 1 0を運転したときの、フィルタ温度 T f およびフィルタ前後の差圧 d Pの推移を概念的に示した説明図である。排気ガス温度に限らず、図 8 ( b ) の条件に対してスス濃度が若干高くなるように変更した場合にも、同様の結果を得ることができる。

排気ガス温度 T gが高い条件では、図 8 ( c ) に示すように、第 2期の終了後、フィルタ温度 T f が排気ガス温度 T g付近まで低下することなく、若干高い温度で安定する。第 2期の終了後、フィルタ温度 T f が排気ガス温度 T gよりも高い温度で安定する期間を「第 3期」と呼ぶことにする。第 3期では、ススなどの捕集と燃焼とが局所的に繰り返されているか、あるいは同一箇所において捕集と燃焼とが同時進行的に行われているものと予想され、いずれにしても図 8 ( c ) に示すように、第 3期においてはフィルタ前後の差圧 Δ Pは、ほぼ一定値に保たれている。このように、自然再生機能の第 2の形態では、浮遊微粒子の捕集と燃焼とが並行して行われている。以上に説明したように、タービン 2 1の上流側に設けられたパティキュレートフィルタ 1 0 0は、所定諸元の不織布を使用しているために、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を分散した状態で捕集することができ、このため、捕集した微粒子を、特別な操作を行うことなく自然に燃焼させることが可能である。パティキュレートフィルタ 1 0 0がススなどの微粒子を分散した状態で捕集することができるのは、後述するメカニズムによって、微粒子を不織布内部に積極的に取り込みながら捕集するためと思われる。以下、現時点で推定される捕集メカニズムについて、簡単に説明する。

図 9は、耐熱金属製の不織布断面の構造を概念的に示した説明図である。図中の斜線を付した丸印は、それぞれが不織布繊維の断面を示している。不織布は、無数の繊維が複雑に絡み合って形成されていて、内部には複雑に連通し合う 3次元的な通路が無数に形成されている。

図 9 ( a ) は、未だ新しい不織布の断面構造を概念的に表示したものである。排気ガスは、上方から下方に向かって流れるものとする。繊維の分布に疎密があるために不織布表面には種々の大きさの開口部が形成されているが、小さな開口部であっても排気ガスの気体分子にとつては充分に大きいので、排気ガスは不織布全面をほぼ均等に通過すると考えられる。図 9 ( a ) では、不織布の繊維間を通過する排気ガスを、太い矢印を用いて模式的に表示している。

排気ガスが不織布を通過すると、排気ガス中に含まれるススなどの微粒子が繊維の間に捕捉されて、次第に不織布表面の開口部が閉塞していく。このため、図 9 ( b ) に示すように、不織布表面の小さな開口部はススなどの微粒子で閉塞されてしまい、排気ガスは閉塞されずに残っている比較的大きな開口部に集中する。この結果、不織布を通過する排気ガスの流れは、表面に閉塞されずに残った大きな開口部から始まる流れに集約されていく。図 9 ( b ) では、ススなどの微粒子を小さな黒丸で模式的に表示している。

排気ガスが集中して流れれば、それだけ流速が増加して、通路内に大きな圧力勾配が発生する。この現象を、流れが不織布の繊維と衝突して大きな圧力が発生していると考えることもできる。前述したように、不織布内部に形成されている通路は、複雑に連通し合っているので、集約されて流れる通路の圧力が高くなれば、直ぐに他の通路に分岐していく。このため、不織布前後の差圧は所定値以上に増加することなく一定範囲に保たれる。

図 9 ( c ) は、主流が他の通路に分岐して流れる様子を概念的に示している。このように、不織布内部で排気ガスの流れが分岐する結果、排気ガス中に含まれるススなどの含炭素浮遊微粒子は、不織布の内部全体で捕集されることになる。仮に、不織布内部のある箇所がススで閉塞されたとしても、通路は 3次元的に複雑に連通し合っているので、直ぐに他の通路に分岐することが可能である。すなわち、不織布内部では、ある箇所がススなどによって閉塞しても、通路が自動的に切り替わって排気ガスが新たな通路を流れるために、ススなどが分散した状態で捕集されるものと考えられる。

以上説明したように、タービン 2 1の上流側に設られたパティキュレートフィルタ 1 0 0は自然再生機能を有しており、捕集した排気ガス中の含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを、特別な操作を行うことなく自然に燃焼させることができる。尚、本実施例のパティキュレートフィルタ 1 0 0では、排気ガス中の浮遊微粒子などを金属不織布 1 0 6を用いて捕集しているが、金属製の不織布に限らず、例えばコージライト製のハニカムフィルタのようなセッラミックスフィルタなどを用いても、同等の細孔径分布を有するフィルタであれば、本実施例のフィルタと同様の自然再生機能を発揮させることが可能と考えられる。

A— 2— 2 . 下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0の有する補完作用：次に、タービン 2 1の下流側に設けられたパティキュレートフィルタ 2 0 0が

、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を補完する機能について説明する。前述したように、タービン 2 1の上流側に設けたパティキュレートフィルタ 1 0 0は、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を、不織布内部に分散した状態で捕集可能とするために、不織布の諸元が図 4に例示するような所定範囲に設定されている。

上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0での微粒子の捕集率を向上させようとして、不織布の細孔径をあまりに小さくすると、図 9を用いて説明したように、微粒子を不織布内部に積極的に取り込みながら、不織布内部に分散して捕集することが困難となる。このことから、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0 単独では、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子が微量ではあるがフィルタを通過してしまう場合が生じ得る。下流側に設けたパティキュレートフィルタ 2 0 0は、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を通過した含炭素浮遊微粒子を捕集することで、大気中に放出される微粒子の総量を大幅に減少させる機能を有している。

ディーゼルエンジン 1 0から排出される含炭素浮遊微粒子の大部分は、自然再生機能を有する上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0で捕集され、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0では、上流側のフィルタを通過する微量の含炭素浮遊微粒子を捕集するだけでよい。従って、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0での微粒子の堆積量は僅かであり、ごく稀にディーゼルエンジン 1 0の排気ガス温度を上昇させて、下流側のフィルタに堆積している含炭素浮遊微粒子を燃焼させるだけでよい。排気ガス温度を上昇させる手法には、ディーゼルェンジン 1 0の吸気管 1 2に開閉パルプを設けておき、該バルブを絞ることによって排気温度を上昇させるいわゆる吸気絞りと呼ばれる手法や、燃料の噴射時期を適正時期から遅らせることによって排気ガスの温度を上昇させる手法など、周知の種々の手法を適用することができる。いずれの手法を用いるにせよ、燃料消費効率の悪化は避けられないが、ごく稀であれば、これら手法を用いても、燃料消費効率をさほど悪化させることがない。

また、下流側のパティキュレートフィル 2 0 0は、微量の含炭素浮遊微粒子しか捕集しないことから、長期間使用してもフィルタが微粒子で一杯になることはなレ、。このため、パティキュレートフィルタ 2 0 0が微粒子で一杯になったらフィルタ毎交換することとしても、ごく稀にしか交換する必要がないので、交換のために多大な費用や時間が必要となることがない。更に、パティキュレートフィルタ 2 0 0を、車両の床下位置など、交換作業の容易な位置に搭載しても良い。もちろん、大きめのパティキュレートフィルタ 2 0 0を搭載することとして、通常の使用状態ではフィルタの交換不要とすることもできる。このように、下流側にパティキュレートフィルタ 2 0 0を設ければ、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0の設定自由度を大きく向上させることが可能となる。例えば、前述した自然再生機能をより有効に機能させるためには、パティキュレートフィルタ 1 0 0をできるだけ上流に、可能ならば、ディーゼルェンジンの燃焼室と過給器 2 0との間に設けることが効果的であるが、燃焼室に近くなるほど、搭載のための空間的な制約から、充分な大きさのパティキュレートフィルタ 1 0 0を搭載できない場合もある。このような場合でも、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を補完する下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0を設ければ、大気に放出される含炭素浮遊微粒子の総量を充分に低減させることが可能である。また、上流側のパティキュレートフィルタ 1 ◦ 0を補完するパティキュレートフィルタ 2 0 0を下流側に設けることで、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0がアッシュで閉塞されることを効果的に回避することが可能となる。ここで、アッシュとは、エンジンオイルの添加剤に含まれる C a， M g , Z nなどの金属成分が、燃料中の硫黄分と化合して硫酸塩となり、いわゆる灰分として析出したものである。金属硫酸塩は熱的にたいへん安定な化合物であることから、フィルタにアッシュが堆積すると、排気ガス温度を上昇させる程度のことでは-燃焼させることは不可能である。このことから、硫黄の含有量の大きな燃料を使用する場合は、できるだけアッシュを捕集することなく、フィルタを通過させることが望ましい。アッシュを通過させようとすると、その分だけ含炭素浮遊微粒子もフィルタを通過し易くなるが、本実施例の排気ガス浄化装置のように、下流側にパティキュレートフィルタ 2 0 0を設けておけば、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を通過する微粒子が多少増加しても、大気への放出量が増加することはない。換言すれば、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0は、該フィルタを補完するパティキュレートフィルタ 2 0 0が下流側に設けられていることから、アッシュが通過するようなフィルタとすることができ、その結果、フィルタがァッシュによって閉塞されることを効果的に回避することが可能となっている。上流側のフィルタを通過したアッシュは、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0に到達するが、次の理由から下流側のフィルタに堆積するアッシュの量はそれほど多くはない。アッシュそれ自体はサラサラした性状の物質であるが、排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物があたかも接着剤のような作用をして不織布に付着し、その上に次々とアッシュが付着することによって、不織布上で次第にアッシュが成長して最終的にはフィルタを閉塞する。ここで、前述したように、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0は、含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とを捕集して燃焼させるので、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0 には、接着剤となるべき炭化水素系化合物が充分には存在していない。その分だけ、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0では、アッシュが堆積し難くなつている。このように、上流側に設けたパティキュレートフィルタ 1 0 0は、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0にアッシュが堆積し難くする効果を有している。また、図 1に示すように、パティキュレートフィルタ 2 0 0を過給器 2 0の下流側に設けた場合は、このことによつてもアッシュが堆積し難くなる。すなわち、過給器 2 0のタービン 2 1は、通常、毎分 1万回転以上の高速で回転しているために、アッシュはタービン 2 1を通過する際に細かく粉砕される。こうして細かく粉碎されれば、アッシュはフィルタに捕集され難くなり、その分だけ堆積し難くなる。以上に説明した理由から、下流側に設けたフィルタには、アッシュはそれほど堆積しないので、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0と、該フィルタを補完するパティキュレートフィルタ 2 0 0を下流側に設けることで、フィルタがァッシュで閉塞されることを有効に回避することが可能となる。もちろん、長期にわたって使用すれば、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0がアッシュで閉塞することも起こり得るが、その場合はフィルタ毎、交換しても良い。フィルタの交換は稀にしか生じないので、交換に要する費用や手間はさほど大きなものではない。こうして、パティキュレートフィルタ 2 0 0の交換を前提とすれば、下流側のフィルタで捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させる処理を省略して、全体のシステムを簡素なものにすることが可能となる。

A— 3 . 変形例：

以上に説明した第 1実施例の排気ガス浄化装置においては、下流側に設けられているパティキュレートフィルタ 2 0 0は、コージライト製のセラミックスフィルタであるものとして説明したが、上流側に設けたフィルタと同様に、自然再生機能を有するフィルタとしても良い。以下に説明する変形例は、タービン 2 1の下流側に設けるパティキュレートフィルタ 2 0 0として、上流側のパティキユレートフィルタ 1 0 0の細孔径分布を若干小さく設定した自然再生フィルタを用いたものである。かかる変形例の排気ガス浄化装置においては、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を通過した含炭素浮遊微粒子が、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0で捕集される。ここで、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0に到達する含炭素浮遊微粒子は、上流のパティキュレートフィルタ 1 0 0を通過した小さな微粒子である。従って、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0よりも細孔径分布を若干、小さめに設定しておくことで、図 8を用いて前述したメカニズムにより、フィルタ内部に微粒子を分散して捕集することが可能となる。

もちろん、排気ガス中の炭化水素系化合物や酸素は、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0で消費されるので、下流側のパティキュレートフイノレタ 2 0 0 への供給量は、上流側のフィルタに比べれば少なくなつている。しかし、排気ガス中の酸素濃度はディーゼルエンジン 1 0の運転条件によって大きく変動し、また、現実の運転条件は大きく変動することから、依然として下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0に充分な酸素を供給することが可能である。また、炭化水素系化合物に関しても、エンジンの運転状態をマッチングすることで排気ガス中の濃度を増加させることは比較的容易であり、従って、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0に充分な炭化水素系化合物を供給することができる。

このことから、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0の下流側に、細孔径分布が若干小さく自然再生機能を有するパティキュレートフィルタ 2 0 0を設ければ、上流側のフィルタを通過した含炭素浮遊微粒子を下流側のフィルタで捕集することにより、全体として、大気に放出される微粒子を大きく減少させることができる。また、前述したように、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0も、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0も、いずれも自然再生機能を有することから、フィルタに捕集された含炭素浮遊微粒子を燃焼させるために、何ら特別な処理を行う必要がない。

尚、かかる変形例においては、図 1 0に示すように、上流側のパティキュレートフイノレタ 1 0 0の直ぐ後ろに、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0を設けても良い。こうすれば、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0に流入する排気ガス温度が高くなるので、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0の自然再生機能を効果的に利用して、捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることができるので好ましい。あるいは、図 1 1に示すように、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を各燃焼室毎に設け、複数の燃焼室からの排気通路を、一旦いくつかの通路に集合させ、集合部分に下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0を設けることとしても良い。こうすれば、下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0を比較的大きめのフィルタとすることが可能となる。

B . 第 2実施例：

B— 1 . 装置構成：

図 1 2は、ディーゼルエンジン 1 0に第 2実施例の排気ガス浄化装置を適用した様子を概念的に示す説明図である。第 2実施例の排気ガス浄化装置は、前述の第 1実施例における下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0に代えて、活性酸素放出剤が担持されたコージライト製のパティキュレートフィルタ 3 0 0が設けられている点と、吸気管 1 2にスロットルバルブ 6 0が設けられている点とが大きく異なっている。スロットルパルプ 6 0は、ステップモータ 6 2で駆動可能となっている。スロットルバルブ 6 0は、通常の運転条件では開放されているが、排気ガス中の酸素濃度を減少させる必要がある場合にはェンジン制御用 E C U 3 0の制御の下、所定開度まで閉じられる。かかる制御については後述する。

第 2実施例のパティキュレートフィルタ 3 0 0に担持されている活性酸素放出剤は、後述するように、雰囲気中に過剰な酸素が存在する場合にはこれを取り込んで保持し、雰囲気中の酸素濃度が低下すると、保持した酸素を活性酸素の形態で放出する。活性酸素は、通常の酸素と比べてたいへんに反応性に富んでいるために、活性酸素を利用すれば、パティキュレートフィルタ 3 0 0上に捕集された含炭素浮遊微粒子を容易に燃焼させることができる。

以下に説明する第 2実施例の排気ガス浄化装置においては、前述した自然再生機能を有する上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0と、活性酸素放出剤を担持した下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0とが、互いに補完しながらそれぞれの機能を発揮することで、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を効果的に浄化することが可能である。

B— 1一 1 . 下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0の概要：

活性酸素放出剤を担持したパティキュレートフィルタ 3 0 0は、第 1実施例において下流側に搭載されたパティキュレートフィルタ 2 0 0と同様に、ハニカム構造を有するセラミックフィルタである。第 1実施例の下流側のパティキュレートフィルタ 2 0 0の構造を示した図 6を流用して、第 2実施例のパティキュレートフィルタ 3 0 0の構造について簡単に説明する。

図 6に示されるように、第 2実施例のパティキュレートフィルタ 3 0 0も、ノヽ二カム構造を有しており、フィルタの内部には複数の通路 2 0 2が形成されている。通路 2 0 2の上流側あるいは下流側の一端には、互い違いの位置に目止め 2 2 0 4が設けられている。

図 6 ( b ) の左側から排気ガスが流れてくると、上流側に目止め 2 0 4が設けられていない通路 2 0 2から、パティキュレートフィルタ 2 0 0内に流入し、図中に矢印で示すように、通路 2 0 2の隔壁 2 0 6を通って、下流側に目止め 2 0 4のされていない通路 2 0 2に抜けて行く。コージライトは焼成持に内部に多孔質構造が形成されており、隔壁 2 0 6内の多孔質構造を通過する際に、 .排気ガス中の含炭素浮遊微粒子などが捕集される。

コージライトの隔壁 2 0 6の多孔質構造の表面には、アルミナを主成分とする基材層が形成されており、この基材層の上に貴金属触媒と活性酸素放出剤とが担持されている。貴金属には、白金 P tが主に使用されるが、他にパラジウム P d などの酸化活性を有する金属を適用することができる。活性酸素放出剤としては、カリウム，ナトリウム N a，リチウム L i，セシウム C s , ルビジウム R b などのアルカリ金属や、ノリウム B a , カルシウム C a，ストロンチウム S rのようなアルカリ土類金属、ランタン L a，イットリウム Y, セリウム C eのような希土類元素、および遷移金属から選ばれた元素が主に使用される。尚、活性酸素放出剤としては、カルシウム C aよりもイオン化傾向の高いアル力リ金属ゃァルカリ土類金属、すなわち、カリウム K, リチウム L i、セシウム C s，ルビジゥム R b , バリウム B a , ストロンチウム S rを好適に用いることができる。

B— 1一 2. パティキユレ一トフィルタ 3 00の活性酸素放出機能の概要：次に、第 2実施例の活性酸素放出剤を担持したパティキュレートフィルタ 3 0 0が、排気ガス中の過剰酸素を取り込んで、活性酸素として放出するメカニズムについて簡単に説明する。図 1 3は、'パティキュレートフィルタ 300の多孔質構造の表面を概念的に示した拡大図である。パティキュレートフィルタ 300の多孔質構造の表面には、力リゥム Kやバリゥム B aなどの活性酸素放出剤 3 0 2と、白金 P tなどの貴金属触媒 3 04が担持されている。白金 P tなどの貴金属触媒 3 04は、粒径が 1 m以下の微粒子状で、活性酸素放出剤 3 0 2の上に均一に分散して担持されている。

図 1 3 (a) は、排気ガス中に過剰な酸素が含まれている場合に、活性酸素放出剤 30 2がこれを取り込む様子を概念的に示した説明図である。排気ガス中には、燃焼によって生じる窒素酸化物が含まれている。窒素酸化物はほとんどがー酸化窒素 NOの状態で含まれているので、図 1 3では窒素酸化物を一酸化窒素 N Oとして表示している。一酸化窒素 NOは極性分子であることから、排気ガス中の NOは速やかに白金 P t上に吸着する。 P tは比較的強い酸化活性を有しているため、 NOは P t上で排気ガス中の酸素と反応し、亜硝酸イオン N02—を経て硝酸イオン N03—に酸化された後、硝酸塩の形で活性酸素放出剤 3 0 2に取り込まれる。 P t上の硝酸イオン N03—は、いわゆる「スピルオーバ」と呼ばれる現象によって、活性酸素放出剤 3 0 2まで移動する。「スピルオーバ現象」とは、触媒上で吸着分子が活発に動き回る現象である。触媒上では、 P tなどの微粒子はできるだけ均一に分散させているとはいえ、分子レベルで言えば局在していることに変わりはないが、スピルオーバ現象によって吸着分子が表面を活発に移動し得るために、表面全体が触媒として機能しているものと考えられている。このように、排ガス中に酸素が過剰に存在している条件では、 NOが P t上で酸化され、スピルオーバ現象によって活性酸素放出剤 3 0 2まで運ばれて、硝酸塩の形で過剰酸素とともに蓄えられる。尚、ここでは、 P t上に吸着した全ての一酸化炭素が硝酸イオン N03—に酸化されるものとして説明したが、必ずしも全ての一酸化窒素が硝酸イオン N03一まで酸化されるとは限らず、従って、一部は亜硝酸塩の形で蓄えられる場合もあると考えられる。図 1 3 (b) は、排気ガス中の酸素濃度が低下した場合に、活性酸素放出剤 3 0 2が NOとともに蓄えた酸素を、活性酸素として放出する様子を概念的に示した説明図である。排気ガス中には、炭化水素系化合物や一酸化炭素などの還元物質が含まれている。ススなどの含炭素浮遊微粒子も還元物質として作用する。図 1 3 (b) では、炭化水素系化合物を HCと表示し、ススなどの含炭素浮遊微粒子は炭素を表す Cで模式的に表示している。前述したように P tは強い酸化活性を有しているので、排気ガス中に酸素が存在すれば、これら還元物質を酸化して、二酸化炭素 C02 や水に変換することができる。

ところが、還元物質に見合うだけの酸素が存在していない場合には、図 1 3 ( b) に示すように、 P tは活性酸素放出剤 302に蓄えておいた硝酸イオン NO 3一あるいは亜硝酸イオン N02—を分解し、このときに発生した活性酸素を用いて還元物質を酸化する。図 1 3 ( b ) を参照しながら、かかる現象について説明する。活性酸素放出剤 3 0 2に蓄えられていた硝酸イオン N 03— (あるいは亜硝酸イオン N 02— ) は、スピルオーバ現象によって P t上に移動する。 P t上では、硝酸イオン N O 3一の電子雲が P t側に吸い寄せられて偏在する結果、硝酸イオン N 03一の窒素原子と酸素原子との間の化学結合が切れ易い状態になっている。図 1 3 ( b ) において、硝酸イオンを「N + 3 · 〇」と表示しているのは、窒素原子と酸素原子との間の結合が切れ易くなつている様子を模式的に表示したものである。このような状態に還元物質が作用すると、窒素原子と酸素原子との結合が切断されて活性酸素が発生する。活性酸素は極めて反応性に富んだ物質であり、排気ガス中の炭化水素系化合物、一酸化炭素や、ススなどの含炭素浮遊微粒子などと速やかに反応して、これらを二酸化炭素 C 02 や水などに変換することができる。このように、第 2実施例のパティキュレートフィルタ 3 0 0は、排気ガス中に酸素が過剰に存在している条件では酸素を取り込み、酸素が存在しない条件では活性酸素として放出することができる。かかる活性酸素を用いて含炭素浮遊微粒子を二酸化炭素と水とに変換すれば、フィルタ上に捕集した含炭素浮遊微粒子を処理することが可能となる。

B— 2 . 第 2実施例における含炭素浮遊微粒子の浄化作用：

上述したように、第 2実施例の排気ガス浄化装置においては、前述の自然再生機能を有するパティキュレートフィルタ 1 0 0を上流側に設け、活性酸素放出機能を有するパティキュレートフィルタ 3 0 0を下流側に組み合わせることで、以下に説明するように、それぞれの機能を互いに補完しながら、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を効果的に浄化することが可能である。ディーゼルエンジンは、通常の運転条件では、排気ガス中に過剰な酸素が存在しており、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とは、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0内に分散した状態で捕集される。前述したように、パティキュレートフィルタ 1 0 0は、自然再生機能を有しており、排気ガス中の酸素を用いて、捕集した炭化水素系化合物をゆっくりと酸化させて、最終的には捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させる。

通常の運転条件では排気ガスには酸素が過剰に含まれているから、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0は、排気ガス中の酸素を窒素酸化物とともに硝酸塩（あるいは亜硝酸塩）の形で活性酸素放出剤中に取り込んでいく。また、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を通過した僅かな含炭素浮遊微粒子も、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0で捕集される。

ここで、第 2実施例の排気ガス浄化装置においては、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0でほとんどの含炭素浮遊微粒子が捕集されるので、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0には、多量の微粒子が堆積するおそれがない。すなわち、排気ガス中に、ススなどの含炭素浮遊微粒子が多量に含まれていると、触媒作用を行う P tなどの貴金属がススで覆われてしまうので、排気ガス中の窒素酸化物と酸素とを硝酸塩の形で取り込むことができなくなってしまう。このような状態は、炭素被毒と呼ばれる。 P tを覆うススは、当初は非晶質性の炭素であるが、やがて安定なグラフアイトに変質し、排気ガス温度を上昇させる程度では燃焼させることができなくなる場合も生じ得る。これに対して、第 2実施例の排気ガス浄化装置では、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0で大部分の含炭素浮遊微粒子を捕集し、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0では上流側のフィルタを通過する僅かな微粒子のみを捕集するので、炭素被毒が生じるおそれはない。

もちろん、第 2実施例の排気ガス浄化装置では、上流側のパティキュレートフイルク 1 0 0を通過した含炭素浮遊微粒子を、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0で捕集しているので、その分だけ、大気に放出される含炭素浮遊微粒子の総量を大きく減少させることが可能となる。ディ一ゼルェンジン 1 0を所定期間運転したら、エンジン制御用 E C U 3 0の制御の下、スロットルバルブ 6 0を閉じ気味にすることで、排気ガス中の酸素を減少させる。すなわち、通常の運転条件では、燃焼室内に噴射する燃料量に対して吸入する空気の量が多いので、多量の酸素が余った状態となっているが、スロットルバルブ 6 0を閉じ気味にして吸入する空気量を減少させれば、吸入したほとんど全ての酸素が使用されることになる。もっとも、スロットルバルブ 6 0を閉めすぎると吸入する空気の量が足らなくなって、出力が大幅に低下したり、噴射した燃料が燃焼しない場合が起こり得る。そこで、エンジンの制御用 E C U 3 0は、機関回転速度やアクセル開度などの情報に基づいて、含まれる酸素をちようど使い切るだけの空気を吸入するように、スロットルバルブ 6 0の開度を制御している。尚、ここでは説明を簡略化するために、スロットルバルブ 6 0は定期的に閉じるものとしたが、実際には、エンジンから排出される排気ガスの累積量やエンジン運転条件を考慮して、適切なタイミングでスロットルパルプ 6 0を制御している。

排気ガスの酸素濃度が低下すると、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0 の活性酸素放出剤 3 0 2に蓄えられていた硝酸イオンが P t上で分解され、その時に発生する活性酸素がフィルタ上に捕集されている微粒子と反応する。その結果、フィルタ上に捕集されている含炭素浮遊微粒子は、二酸化炭素と水とに変換され、また硝酸イオンは P t上で酸素を引き抜かれる結果、無害な窒素に変換されて、それぞれ排気ガス中に放出される。このように、パティキュレートフィルタ 3 0 0は、排気ガス中に過剰酸素が存在する通常の運転条件では、含炭素浮遊微粒子を捕集するとともに、排気ガス中の窒素酸化物を酸素とともに硝酸塩として取り込み、排気ガス中の酸素が欠乏する条件では、捕集した含炭素浮遊微粒子と取り込んだ窒素酸化物とを、二酸化炭素や、窒素、水などの無害な物質に変換する。すなわち、パティキュレートフィルタ 3 0 0を設けることで、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0を通過する僅かな含炭素浮遊微粒子を捕集することにより、大気への放出量を低下することが可能となるとともに、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0では浄化できない窒素酸化物も浄化することが可能となる。

また、仮にディーゼルエンジン 1 0から多量の含炭素浮遊微粒子が放出されたとしても、大部分の微粒子は上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0で捕集され、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0には、少量の微粒子しか到達しない。従って、このような場合でも、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0は炭素被毒を起こすことなく、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子と窒素酸化物とを確実に浄化することが可能となる。

C . 第 3実施例：

図 1 4は、ディーゼルエンジン 1 0に、第 3実施例の排気ガス浄化装置を適用した様子を概念的に示す説明図である。図示するように、第 3実施例の排気ガス浄化装置は、第 2の排気ガス浄化装置に対して、過給器 2 0の代わりに、流速変動を緩和させるためのサージタンク 4 0が設けられている点が大きく異なっている。すなわち、第 3実施例の排気ガス浄化装置は、自然再生機能を有するパティキュレートフィルタ 1 0 0の下流にサージタンク 4 0が設けられ、サージタンク 4 0の下流に、活性酸素放出剤が担持されたパティキュレートフィルタ 3 Q 0が設けられた構成となっている。

こうした第 3実施例の排気ガス浄化装置においては、ディーゼルエンジン 1 0 から排出される排気ガスは、流速変動を伴ったまま上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0に流入する。このため、排気ガス中の大きな含炭素浮遊微粒子がパティキュレートフィルタ 1 0 0を構成する金属繊維に衝突付着することにより、これら微粒子を効果的に捕集することができる。パティキュレートフィルタ 1 0 0を通過した排気ガスは、サージタンク 4 0に流入し、ここで流速変動が緩和される。これは、次のような現象によるものである。一般に、狭い通路を流れている流体を、サージタンクのような大きな容積を有する部屋に解放すると、通路面積が急に拡大するので流速が急に減少する。このとき、減少した流速は、圧力に変換されている。サージタンクがよほど容積の小さいものでない限り、タンク内の圧力は流速変動のようには大きく変動することはない。従って、サージタンクから下流の通路に流出する速度は、サージタンクに流入する速度のようには大きく変動することがない。すなわち、こうして流速を圧力に一旦変換してやることで、流速変動を効果的に緩和することができるのである。

第 3実施例の排気ガス浄化装置においては、パティキュレートフィルタ 1 0 0 を通過した排気ガスは、サージタンク 4 0によって流速変動が緩和された後に、下流側に設けたパティキュレートフィルタ 3 0 0に流入する。前述したように、パティキュレートフィルタ 3 0 0の内部には多孔質構造が形成されており、排気ガスがこの多孔質構造を通過する際に、含炭素浮遊微粒子がフィルタで濾過されて捕集される。ここで、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0には、サージタンク 4 0で流速変動が緩和された排気ガスが流入するので、前述したように、細かな含炭素浮遊微粒子を効率よく捕集することができる。また、上流側のパティキュレートフィルタ 1 0 0には流速変動を伴ったまま排気ガスを流入させているので、前述した理由から、より細かな含炭素浮遊微粒子まで捕集することが可能となっている。このため、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0に、大きな含炭素浮遊微粒子が流入してフィルタを目詰まりさせるおそれがない。このことを逆から見れば、パティキュレートフィルタ 3 0 0の細孔を、より細かくして、更に細かな含炭素浮遊微粒子を捕集することも可能となる。流速変動が緩和されていることから、パティキュレートフィルタ 3 0 0の表面上で細かな含炭素浮遊微粒子が流速の変動によって動き回ることがなく、速やかに捕集される。このため、微粒子が二次凝集して大きな微粒子を形成し、パティキユレ一トフィルタ 3 0 0を目詰まりさせるおそれもない。

加えて、こうして、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0では、細かな含炭素浮遊微粒子を捕集することとすれば、フィルタ上に担持された活性酸素放出剤 3 0 2から放出される活性酸素により、含炭素浮遊微粒子を迅速に処理することが可能となる。こうして捕集した微粒子を迅速に処理してやれば、新たに流入する微粒子を捕集することが可能となり、結果として微粒子の捕集効率を向上させることが可能となる。

C一 1 . 変形例：

こうした第 3実施例の排気ガス浄化装置は、種々の態様で実施することができる。図 1 5は、これら各種の変形例を概念的に示した説明図である。上述した図 1 4では、上流のパティキュレートフィルタ 1 0 0と下流のパティキュレートフィルタ 3 0 0との間に、流速変動を緩和させる手段としてサージタンク 4 0を設けているが、図 1 5 ( a ) に示すように、サージタンク 4 0の代わりに、オリフイス 4 2などの絞り要素を設けることとしてもよい。こうすれば、流速の変動成分が絞り要素の下流側に伝わり難くなり、その結果として、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0に流入する排気ガスの流速変動を緩和することができる。また、オリフィス 4 2に代えて、前述した過給器 2 0を設けることもできる。過給器 2 0も、オリフィス 4 2と同様に絞り要素として作用するので、下流側のパティキュレートフィルタ 3 0 0に流入する流速変動を緩和させることが可能である。あるいは、図 1 5 ( b ) に示すように、オリフィス 4 2などの絞り要素を、ノティキユレ一トフィルタ 3 0 0の下流に設けることとしてもよい。排気ガスは、オリフィス 4 2などの絞り要素の部分は通り難いので、流速変動が絞り要素の下流側にはそのまま伝達されることはない。その結果として、絞り要素の上流側では流速の変動成分が圧力の変動に変換された状態となる。これを概念的に説明すれば、オリフィス 4 2の上流側の流速が速くなろうとしても、オリフィス 4 2で絞られているので、増加分が直ちにオリフィス 4 2を通過することはできず、その結果、オリフィス 4 2の上流側の圧力が增加することになる。こうして増加した圧力は、オリフィス 4 2の上流側の流速が速くなろうとしなくなれば、これに伴って低下する。このように、オリフィス 4 2などの絞り要素を設けてやれば、その上流側では、流速変動の少なくとも一部が圧力変動に変換されるので、その結果、絞り要素の上流側でも流速変動が緩和されるのである。従って、図 1 5 ( b ) に示すように、パティキュレートフィルタ 3 0 0の下流側に、オリフィス 4 2などの絞り要素を設けることによつても、パティキュレートフィルタ 3 0 0に流入する排気ガスの流速変動を緩和することが可能である。あるいは、オリフィス 4 2などの絞り要素に代えて、図 1 5 ( c ) に示すように、排気ガスを浄化する小型の浄化触媒（例えば酸化触媒） 4 0 0を設けることとしてもよい。浄化触媒 4 0 0には通気抵抗があるので、オリフィス 4 2などの絞り要素を設けた場合と同様のメカニズムによって、パティキュレートフィルタ 3 0 0に流入する排気ガスの流速変動を緩和することができる。また、絞り要素として浄化触媒 4 0 0を設ければ、パティキュレートフィルタ 3 0 0を通過する大気汚染物質を浄化してやることが可能となる。例えば、前述したように、パティキュレートフィルタ 3 0 0は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を捕集し、活性酸素を利用してこれを浄化することができるが、いわゆる S〇Fなどのガス状の大気汚染物質は効果的に捕集することができずに、一部が通過してしまう場合がある。パティキュレートフィルタ 3 0 0の下流に、絞り要素として浄化触媒 4 0 0を設けておけば、こうしてパティキュレートフィルタ 3 0 0を通過した大気汚染物質を浄化することができる。また、何らかの条件で、パティキュレートフィルタ 3 0 0から含炭素浮遊微粒子の燃焼の過程で発生する中間生成物（一酸化炭素など）が洩れ出してしまった場合にも、浄化触媒 4 0 0を設けておけば、これを浄化することが可能となるので好ましい。図 1 5に示した変形例では、サージタンク 4 0やオリフィス 4 2などの絞り要素は、パティキュレートフィルタ 3 0 0の上流側あるいは下流側のいずれかに設けることとしたが、もちろん、これらを組み合わせて用いることもできる。図 1 6は、これらを組み合わせた一例を示した説明図である。図示するように、パティキュレートフィルタ 3 0 0の上流側に、絞り要素として過給器 2 0を設け、ノティキュレートフィルタ 3 0 0の下流側にも絞り要素して小型の浄化触媒 4 0 0 を設けることとしてもよい。ディーゼルエンジンでは、一般的に、より高出力を得るために過給器が装着されることが多いので、過給器 2 0を、パティキュレートフィルタ 3 0 0の上流側の絞り要素として活用し、また、パティキュレートフィルタ 3 0 0の下流側の絞り要素として浄化触媒 4 0 0を設けてやる。こうすれば、上流側の絞り要素は過給器としても機能し、下流側の絞り要素は浄化触媒としても機能するので、全体として合理的な構成とすることが可能である。以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すベての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。

例えば、上述の実施例においては、パティキュレートフィルタは金属不織布を備えたであるとして説明したが、セラミックス製のフィルタのような、他の周知のフィルタに適用することも可能である。

また、上述した各実施例では、ディーゼルエンジン 1 0には過給器 2 0が設けられているものとして説明したが、上述の各種実施例は、過給器を備えないディーゼルエンジンに対しても同様に適用可能であることはもちろんである。産業上の利用の可能性

以上に説明したように、本発明の排気ガス浄化装置によれば、上流側のパティキュレートフィルタと下流側のパティキュレートフィルタとが互いに補完的に機能することで、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を効果的に浄化することができる。従って、各種内燃機関の排気ガスを浄化するための浄化装置として、あるいは、内燃機関を動力源とする各種車両、船舶用の排気ガス浄化装置として好適に適用することができる。もちろん、定置式の内燃機関にも適用可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 内燃機関の排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガス浄化装置において、

を備えることを特徴とする排気ガス浄化装置。

2 . 請求項 1記載の排気ガス浄化装置であって、

前記第 2の耐熱性濾材は、前記第 1の耐熱性濾材が捕集可能な前記含炭素浮遊微粒子よりも、小さな該含炭素浮遊微粒子を捕集可能である排気ガス浄化装置。

3 . 請求項 1記載の排気ガス浄化装置であって、

前記内燃機関は、

複数の燃焼室と、

前記燃焼室の各々から排出される排気ガスを、少なくとも 1つの通路に集合させる集合管と、

前記集合管によって集められた排気ガスを導いて空気中に排出する排出管とを備え、

前記第 1の耐熱性濾材は、前記集合管内に設けられているとともに、前記第 2の耐熱性濾材は、前記排出管内に設けられている排気ガス浄化装置。

4 . 前記第 1の耐熱性濾材が、前記集合管内において前記各燃焼室からの排気ガスが集合する部分に設けられている請求項 3記載の排気ガス浄化装置。

5 . 請求項 1記載の排気ガス浄化装置であって、

前記第 1の耐熱性濾材は、前記内燃機関の潤滑油に添加されている金属成分と該内燃機関の燃料中の硫黄分とに起因して生成され、排気ガス中に浮遊している金属硫酸塩の微粉末の過半を、捕集することなく通過させる濾材である排気ガス浄化装置。

6 . 請求項 1記載の排気ガス浄化装置であって、

前記内燃機関の排気ガス通路上に、前記排気ガスによって駆動されて該排気ガス中に含まれる微粒子を粉碎する回転翼を備えるとともに、

前記第 1の耐熱性濾材は、前記回転翼の上流側に設けられており、

前記第 2の耐熱性濾材は、前記回転翼の下流側に設けられている排気ガス浄化

7 . 請求項 6記載の排気ガス浄化装置であって、

前記内燃機関は、前記排気ガスの流動エネルギを用いて該内燃機関の吸入空気を過給する過給器を備えており、

前記回転翼は、前記排気ガスによって駆動される前記過給器のタービンである排気ガス浄化装置。

8 . 前記排気ガスとともに流入する大気汚染物質を浄化する浄化触媒が、前記第 2の耐熱性濾材の後流に設けられている請求項 1記載の排気ガス浄化装置。

9 . 請求項 1記載の排気ガス浄化装置であって、前記第 2の耐熱性濾材は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで保持するとともに、周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素として放出する活性酸素放出剤を担持した濾材である排気ガス浄化装置。

1 0 . 請求項 9記載の排気ガス浄化装置であって、

前記第 2の耐熱性濾材は、前記活性酸素放出剤に加えて、白金族に属する貴金属触媒を担持した濾材である排気ガス浄化装置。

1 1 . 内燃機関から流速変動を伴って排出される排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を、三次元的に入り組んだ形状の多数の細孔を有する濾材を用いて浄化する排気ガス浄化装置であって、

を備える排気ガス浄化装置。

1 2 . 請求項 1 1記載の排気ガス浄化装置であって、

前記第 1の耐熱性濾材は、前記排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集することにより、流入時の温度が含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガスを用いて、該捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを燃焼させる濾材であり、前記第 2の耐熱性濾材は、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで保持するとともに、周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素として放出する活性酸素放出剤を担持した濾材である排気ガス浄化装置。

1 3 . 請求項 1 2記載の排気ガス浄化装置であって、

前記流速変動緩和手段は、前記排気ガスの流動エネルギによって駆動され前記内燃機関の吸入空気を過給する過給器である排気ガス浄化装置。

1 4 . 請求項 1 3記載の排気ガス浄化装置であって、

前記流速変動緩和手段として、前記第 2の耐熱性濾材の後流に、前記排気ガスの流れを抑制する絞り要素を更に備えている排気ガス浄化装置。

1 5 . 請求項 1 4記載の排気ガス浄化装置であって、

前記絞り要素は、前記第 2の耐熱性濾材を通過した排気ガス中の大気汚染物質を浄化する浄化触媒である排気ガス浄化装置。

1 6 . 内燃機関の排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガス浄化方法において、

第 1の耐熱性濾材を用いて、前記排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、該排気ガス中の酸素と接触可能に分散した状態で捕集し、

前記第 1の耐熱性濾材で捕集されずに該耐熱性濾材を通過した前記含炭素浮遊微粒子を、第 2の耐熱性濾材を用いて捕集することを特徴とする排気ガスの浄化方法 c

1 7 . 内燃機関から流速変動を伴って排出される排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を、三次元的に入り組んだ形状の多数の細孔を有する濾材を用いて浄化する排気ガス浄化方法であって、

前記排気ガスの流速変動を緩和させた後、

前記流速変動の緩和された排気ガスを濾過することによって、前記含炭素浮遊微粒子を捕集する排気ガスの浄化方法。