WO2014016890A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置 Download PDF

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寛 大月
中山　茂樹
寛真 西岡
大地 今井
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine.
  • An upstream particulate filter and a downstream particulate filter for collecting particulate matter contained in the exhaust gas are arranged in series in the exhaust passage of the internal combustion engine where combustion is performed under excess oxygen
  • An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in which an upstream side particulate filter and a downstream side particulate filter carry a catalyst having an oxidation function is known (see Patent Document 1).
  • the exhaust gas sequentially passes through the upstream side particulate filter and the downstream side particulate filter. Particulate matter is collected in the upstream particulate filter. Even if the particulate matter passes through the upstream side particulate filter, it is collected by the downstream side particulate filter. As a result, the particulate matter is suppressed from being discharged into the atmosphere.
  • incombustible components called ash are also contained in the exhaust gas, and this ash is collected by the upstream side particulate filter and the downstream side particulate filter together with the particulate matter.
  • the ash does not burn or vaporize even when the temperature of the upstream particulate filter and the downstream particulate filter reaches a temperature at which the particulate matter can be oxidized.
  • the temperature of the downstream particulate filter is often lower than the temperature of the upstream particulate filter. For this reason, there is a possibility that the amount of particulate matter collected by the downstream particulate filter cannot be reduced. As a result, the ash cannot pass through the partition wall of the downstream particulate filter and accumulates on the downstream particulate filter, which may increase the pressure loss of the downstream particulate filter. Further, if the ash remains on the downstream particulate filter for a long time, the ash may aggregate with each other and the ash particle size may increase. As the particle size of the ash increases in this way, it becomes more difficult for the ash to pass through the partition walls.
  • an upstream side particulate filter and a downstream side particulate filter for collecting particulate matter contained in exhaust gas in an exhaust passage of an internal combustion engine in which combustion is performed under excess oxygen.
  • the upstream side particulate filter and the downstream side particulate filter carry the upstream side catalyst and the downstream side catalyst having an oxidation function, respectively, and the particulate matter oxidizing ability of the downstream side catalyst is increased by the particles of the upstream side catalyst.
  • An exhaust emission control device for an internal combustion engine which is set higher than the particulate matter oxidation capacity, is provided.
  • the downstream particulate filter is composed of a wall flow type particulate filter, and the pore size of the downstream particulate filter is set so that the ash can pass through the downstream particulate filter.
  • the upstream side particulate filter is composed of a wall flow type particulate filter, and the pore size of the upstream side particulate filter is set so that the ash can pass through the upstream side particulate filter.
  • the upstream catalyst contains a base metal oxide.
  • the downstream catalyst contains a noble metal.
  • FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine. It is a front view of a particulate filter. It is side surface sectional drawing of a particulate filter. It is a schematic enlarged view of an upstream catalyst and a downstream catalyst. It is a diagram which shows the oxidation rate of the particulate matter of an upstream catalyst and a downstream catalyst. It is a figure which shows another Example of an upstream side particulate filter and a downstream side particulate filter.
  • 1 is a main body of a compression ignition internal combustion engine
  • 2 is a combustion chamber of each cylinder
  • 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each combustion chamber 2
  • 4 is an intake manifold.
  • Reference numeral 5 denotes an exhaust manifold.
  • the intake manifold 4 is connected to the outlet of the compressor 7 c of the exhaust turbocharger 7 via the intake duct 6, and the inlet of the compressor 7 c is connected to the air cleaner 9 via the air flow meter 8.
  • An electrically controlled throttle valve 10 is arranged in the intake duct 6, and a cooling device 11 for cooling intake air flowing in the intake duct 6 is arranged around the intake duct 6.
  • the exhaust manifold 5 is connected to the inlet of the exhaust turbine 7 t of the exhaust turbocharger 7, and the outlet of the exhaust turbine 7 t is connected to the exhaust aftertreatment device 20.
  • each fuel injection valve 3 is connected to a common rail 16 through a fuel supply pipe 15. Fuel is supplied into the common rail 16 from an electronically controlled fuel pump 17 with variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 16 is supplied to the fuel injection valve 3 through each fuel supply pipe 15. In the embodiment shown in FIG. 1, this fuel is composed of light oil.
  • the internal combustion engine comprises a spark ignition internal combustion engine. In this case, the fuel is composed of gasoline.
  • the exhaust aftertreatment device 20 includes an exhaust pipe 21 connected to the outlet of the exhaust turbine 7t, a catalytic converter 22 connected to the exhaust pipe 21, and an exhaust pipe 23 connected to the catalytic converter 22.
  • a particulate filter 24 is disposed in the catalytic converter 22.
  • the particulate filter 24 includes an upstream side particulate filter 24u and a downstream side particulate filter 24d arranged in series in the exhaust flow direction.
  • the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d are constituted by wall flow type particulate filters.
  • the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d have substantially the same shape, and therefore have substantially the same capacity.
  • the catalyst converter 22 is provided with a temperature sensor 25 for detecting the temperature of the particulate filter 24.
  • a temperature sensor for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the particulate filter 24 is disposed in the exhaust pipe 21.
  • a temperature sensor for detecting the temperature of the exhaust gas flowing out from the particulate filter 24 is disposed in the exhaust pipe 23. The temperature of these exhaust gases represents the temperature of the particulate filter 24.
  • a fuel addition valve 27 is attached to the exhaust manifold 5. Fuel is added from the common rail 16 to the fuel addition valve 27, and fuel is added from the fuel addition valve 27 into the exhaust manifold 5. In another embodiment, the fuel addition valve 27 is disposed in the exhaust pipe 21.
  • the electronic control unit 30 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31.
  • Output signals of the air flow meter 8, the temperature sensor 25, and the pressure difference sensor 26 are input to the input port 35 via corresponding AD converters 37, respectively.
  • the accelerator pedal 39 is connected to a load sensor 40 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 39.
  • the output voltage of the load sensor 40 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Is done.
  • the input port 35 is connected to a crank angle sensor 41 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 15 °.
  • the CPU 34 calculates the engine speed Ne based on the output pulse from the crank angle sensor 41.
  • the output port 36 is connected to the fuel injection valve 3, the throttle valve 10 drive device, the EGR control valve 13, the fuel pump 17, and the fuel addition valve 27 through corresponding drive circuits 38.
  • FIGS. 2A and 2B show the structures of the wall flow type upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d.
  • 2A is a front view of the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d
  • FIG. 2B is a side sectional view of the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d.
  • the upstream particulate filter 24u and the downstream particulate filter 24d have a honeycomb structure, and a plurality of exhaust flow passages 71i and 71o extending in parallel with each other, and these exhausts.
  • a partition wall 72 that separates the flow passages 71i and 71o from each other.
  • the exhaust flow passages 71i and 71o are composed of an exhaust gas inflow passage 71i having an upstream end opened and a downstream end closed by a plug 73d, and an upstream end closed by a plug 73u and a downstream end.
  • the exhaust gas outflow passage 71o is opened.
  • hatched portions indicate plugs 73u. Therefore, the exhaust gas inflow passages 71 i and the exhaust gas outflow passages 71 o are alternately arranged via the thin partition walls 72.
  • each exhaust gas inflow passage 71i is surrounded by four exhaust gas outflow passages 71o, and each exhaust gas outflow passage 71o is surrounded by four exhaust gas inflow passages 71i. Arranged so that.
  • the exhaust flow passage of one or both of the upstream particulate filter 24u and the downstream particulate filter 24d is closed with an exhaust gas inflow passage having an open upstream end and a downstream end, and an upstream end is blocked by a plug. And an exhaust gas outflow passage having an open downstream end.
  • one or both of the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d is constituted by an exhaust gas passage having an open upstream end and a downstream end.
  • the upstream side particulate filter and the downstream side particulate filter in this case are also referred to as straight particulate filters.
  • the partition wall 72 is formed of a porous material, for example, a ceramic such as cordierite, silicon carbide, silicon nitride, zirconia, titania, alumina, silica, mullite, lithium aluminum silicate, and zirconium phosphate. Therefore, as shown by an arrow in FIG. 2B, the exhaust gas first flows into the exhaust gas inflow passage 71i, and then flows into the adjacent exhaust gas outflow passage 71o through the surrounding partition wall 72.
  • a ceramic such as cordierite, silicon carbide, silicon nitride, zirconia, titania, alumina, silica, mullite, lithium aluminum silicate, and zirconium phosphate.
  • the average pore diameter of the partition wall 72 is set to 25 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the average pore diameter of the partition wall 72 is 25 ⁇ m or more, most of the ash contained in the exhaust gas can pass through the partition wall 72.
  • the average pore diameter of the partition walls 72 is 50 ⁇ m or less, the mechanical strength of the partition walls 72 can be ensured.
  • the average pore diameter of the partition wall 72 is set to 10 ⁇ m or more and 25 ⁇ m.
  • the upstream side catalyst 80u and the downstream side on the partition wall 72 of the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d that is, on both side surfaces and the inner wall surface of the pores of the partition wall 72 are shown.
  • Each of the catalysts 80d is supported.
  • the upstream side catalyst 80u and the downstream side catalyst 80d include a support 81 formed of alumina, for example, and catalyst particles 82 supported on the support 81.
  • the catalyst particles 82 of the upstream catalyst 80u are composed of base metal oxides such as Ce—Ag—O, Ce—Pr—Zr—O, and Cu—VO.
  • the catalyst particles 82 of the downstream catalyst 80d are made of a noble metal such as platinum Pt, rhodium Rh, or palladium Pd.
  • FIG. 4 shows the oxidation rate VOXU of the particulate matter of the upstream catalyst 80u with respect to the temperature TCU of the upstream catalyst 80u and the oxidation rate VOXD of the particulate matter of the downstream catalyst 80d with respect to the temperature TCD of the downstream catalyst 80d.
  • the temperature TCDS at which the downstream catalyst 80d begins to oxidize the particulate matter is lower than the temperature TCUS at which the upstream catalyst 80u begins to oxidize the particulate matter.
  • downstream catalyst temperature TCDT necessary for setting the particulate matter oxidation rate VOXD of the downstream catalyst 80d to be equal to or higher than the allowable lower limit LOX is used to set the particulate matter oxidation rate VOXU of the upstream catalyst 80u to be equal to or higher than the allowable lower limit LOX.
  • the particulate matter oxidation ability of the downstream catalyst 80d is set higher than the particulate matter oxidation ability of the upstream catalyst 80u.
  • the exhaust gas contains particulate matter mainly formed from solid carbon.
  • This particulate matter is collected on the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d.
  • combustion is performed in the combustion chamber 2 under excess oxygen. Therefore, unless the fuel is secondarily supplied from the fuel injection valve 3 and the fuel addition valve 27, the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d are in an oxidizing atmosphere. As a result, the particulate matter collected by the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d is sequentially oxidized by the upstream side catalyst 80u and the downstream side catalyst 80d.
  • the temperature of the downstream particulate filter 24d may be lower than that of the upstream particulate filter 24u.
  • the downstream catalyst 80u can oxidize the particulate matter even at a relatively low temperature. Therefore, the amount of particulate matter trapped in the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d can be kept small.
  • Ash is also included in the exhaust gas. It has been confirmed by the present inventors that this ash is mainly formed from calcium salts such as calcium sulfate CaSO 4 and zinc phosphate calcium Ca 19 Zn 2 (PO 4 ) 14 .
  • Calcium Ca, zinc Zn, phosphorus P and the like are derived from engine lubricating oil, and sulfur S is derived from fuel. That is, taking calcium sulfate CaSO 4 as an example, engine lubricating oil flows into combustion chamber 2 and burns, and calcium Ca in the lubricating oil combines with sulfur S in the fuel to produce calcium sulfate CaSO 4. Is done.
  • the pore diameters of the partition walls 72 of the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d are set so that the ash can pass through. Therefore, the ash sequentially passes through the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d. Therefore, the pressure loss of the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d is suppressed from increasing due to ash.
  • the amount of particulate matter trapped in the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d that is, the amount of particulate matter deposited on the partition wall 72 is relatively large, this large amount of particulate matter. This may make it difficult for the ash to pass through the partition wall 72.
  • the amount of the particulate matter trapped in the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d is kept small. Therefore, the ash can easily pass through the partition wall 72.
  • the ash is suppressed from remaining on the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d for a long time. Therefore, the ash is prevented from aggregating on the upstream side particulate filter 24u and the downstream side particulate filter 24d, and thus can easily pass through the partition wall 72.
  • the PM removal process for removing the particulate matter on the particulate filter 24 is not performed.
  • the temperature of the particulate filter 24 is increased to the PM removal temperature (for example, 600 ° C.), and the particulate matter is oxidized and removed by NOx.
  • the ozone supply processing is configured to supply ozone from the ozone supply device to the particulate filter 24.
  • the capacity of the upstream side particulate filter 24u and the capacity of the downstream side particulate filter 24d are substantially equal to each other.
  • the capacity of the upstream particulate filter 24u is made larger than the capacity of the downstream particulate filter 24d. In this way, even when the amount of the particulate matter trapped in the upstream side particulate filter 24u is significantly increased, an increase in pressure loss of the upstream side particulate filter 24u is suppressed.
  • the average pore diameter of the upstream particulate filter 24u and the average pore diameter of the downstream particulate filter 24d are substantially equal to each other.
  • the average pore diameter of the upstream side particulate filter 24u is made larger than the average pore diameter of the downstream side particulate filter 24d. In this way, the amount of particulate matter collected by the upstream side particulate filter 24u is reduced, and an increase in pressure loss of the upstream side particulate filter 24u is suppressed.

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Abstract

　酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ（２４ｕ）及び下流側パティキュレートフィルタ（２４ｄ）を直列に配置する。上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する上流側触媒及び下流側触媒をそれぞれ担持する。下流側触媒の粒子状物質酸化能力を上流側触媒の粒子状物質酸化能力よりも高く設定する。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
　酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを直列に配置し、これら上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する触媒をそれぞれ担持した内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。この排気浄化装置では、排気ガスが上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを順次通過する。粒子状物質が上流側パティキュレートフィルタに捕集される。粒子状物質が上流側パティキュレートフィルタを通過したとしても、下流側パティキュレートフィルタに捕集される。その結果、粒子状物質が大気中に排出されるのが抑制される。
　一方、内燃機関では酸素過剰のもとで燃焼が行われており、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタは酸化雰囲気にある。したがって、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの温度が比較的高くなると上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質が触媒によってそれぞれ酸化され、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタからそれぞれ除去される。その結果、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの圧力損失が粒子状物質によって増大するのが抑制される。
特開２０１２－０１３０５９号公報
　ところで、排気ガス中にはアッシュと称される不燃性成分も含まれており、このアッシュは粒子状物質と共に上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに捕集される。ところが、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの温度が粒子状物質を酸化しうる温度になってもアッシュは燃焼せず又は気化しない。
　一方、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタから粒子状物質が除去されると、すなわち上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの隔壁の表面を覆う粒子状物質の量が少なくなると、アッシュの一部が隔壁を通過し、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタから除去される。その結果、上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの圧力損失がアッシュによって増大するのが抑制される。
　しかしながら、下流側パティキュレートフィルタの温度は上流側パティキュレートフィルタの温度よりも低い場合が多い。このため、下流側パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質の量を低減できないおそれがある。その結果、アッシュが下流側パティキュレートフィルタの隔壁を通過できずに下流側パティキュレートフィルタに堆積し、それにより下流側パティキュレートフィルタの圧力損失が増大するおそれがある。また、アッシュが長時間にわたり下流側パティキュレートフィルタ上に残留すると、アッシュ同士が互いに凝集し、アッシュの粒径が大きくなるおそれがある。このようにアッシュの粒径が大きくなると、アッシュが隔壁を通過するのが更に困難になる。
　本発明によれば、酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを直列に配置し、これら上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する上流側触媒及び下流側触媒をそれぞれ担持し、下流側触媒の粒子状物質酸化能力を上流側触媒の粒子状物質酸化能力よりも高く設定した、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
　好ましくは、下流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが下流側パティキュレートフィルタを通過できるように下流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている。
　好ましくは、上流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが上流側パティキュレートフィルタを通過できるように上流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている。
　好ましくは、上流側触媒が卑金属酸化物を含む。
　好ましくは、下流側触媒が貴金属を含む。
　下流側パティキュレートフィルタから粒子状物質が確実に除去されるので、下流側パティキュレートフィルタの圧力損失がアッシュにより増大するのを抑制することができる。
内燃機関の全体図である。 パティキュレートフィルタの正面図である。 パティキュレートフィルタの側面断面図である。 上流側触媒及び下流側触媒の概略拡大図である。 上流側触媒及び下流側触媒の粒子状物質の酸化速度を示す線図である。 上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタの別の実施例を示す図である。
　図１を参照すると、１は圧縮着火式内燃機関の本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。
　排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。図１に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。別の実施例では、内燃機関は火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。
　排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内にはパティキュレートフィルタ２４が配置される。パティキュレートフィルタ２４は排気流れ方向に直列に配置された上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄから構成される。図１に示される実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄはウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成される。また、図１に示される実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄはほぼ同一の形状をなしており、したがってほぼ同一の容量を有している。
　触媒コンバータ２２には、パティキュレートフィルタ２４の温度を検出するための温度センサ２５が設けられる。別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管２１に配置される。更に別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４から流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサが排気管２３に配置される。これら排気ガスの温度はパティキュレートフィルタ２４の温度を表している。
　一方、排気マニホルド５には燃料添加弁２７が取り付けられる。この燃料添加弁２７にはコモンレール１６から燃料が添加され、燃料添加弁２７から排気マニホルド５内に燃料が添加される。別の実施例では、燃料添加弁２７が排気管２１に配置される。
　電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８、温度センサ２５、及び圧力差センサ２６の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、及び燃料添加弁２７に接続される。
　図２Ａ及び図２Ｂはウォールフロー型の上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの構造を示している。なお、図２Ａは上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの正面図を示しており、図２Ｂは上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路７１ｉ，７１ｏと、これら排気流通路７１ｉ，７１ｏを互いに隔てる隔壁７２とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路７１ｉ，７１ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７３ｄにより閉塞された排気ガス流入通路７１ｉと、上流端が栓７３ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路７１ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは薄肉の隔壁７２を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは各排気ガス流入通路７１ｉが４つの排気ガス流出通路７１ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路７１ｏが４つの排気ガス流入通路７１ｉによって包囲されるように配置される。
　別の実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの一方又は両方の排気流通路が、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。更に別の実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの一方又は両方の排気流通路が上流端及び下流端が開放された排気ガス通路により構成される。この場合の上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタはストレート型パティキュレートフィルタとも称される。
　隔壁７２は多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路７１ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁７２内を通って隣接する排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。
　図２Ｂに示される実施例では、隔壁７２の平均細孔径は２５μｍ以上かつ５０μｍ以下に設定される。隔壁７２の平均細孔径が２５μｍ以上であると、排気ガス中に含まれるアッシュの大部分が隔壁７２を通過できる。一方、隔壁７２の平均細孔径が５０μｍ以下であると、隔壁７２の機械的強度を確保することができる。別の実施例では、隔壁７２の平均細孔径は１０μｍ以上かつ２５μｍに設定される。
　上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの隔壁７２上、すなわち隔壁７２の両側表面及び細孔内壁面には図３に示されるように、酸化機能を有する上流側触媒８０ｕ及び下流側触媒８０ｄがそれぞれ担持される。上流側触媒８０ｕ及び下流側触媒８０ｄは例えばアルミナから形成される担体８１と、この担体８１上に担持された触媒粒子８２とを備える。上流側触媒８０ｕの触媒粒子８２はＣｅ－Ａｇ－Ｏ、Ｃｅ－Ｐｒ－Ｚｒ－Ｏ、Ｃｕ－Ｖ－Ｏのような卑金属酸化物から構成される。これに対し、下流側触媒８０ｄの触媒粒子８２は白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄのような貴金属から構成される。
　図４は、上流側触媒８０ｕの温度ＴＣＵに対する上流側触媒８０ｕの粒子状物質の酸化速度ＶＯＸＵ及び下流側触媒８０ｄの温度ＴＣＤに対する下流側触媒８０ｄの粒子状物質の酸化速度ＶＯＸＤを示している。図４からわかるように、下流側触媒８０ｄが粒子状物質を酸化し始める温度ＴＣＤＳは上流側触媒８０ｕが粒子状物質を酸化し始める温度ＴＣＵＳよりも低い。また、下流側触媒８０ｄの粒子状物質酸化速度ＶＯＸＤを許容下限ＬＯＸ以上にするのに必要な下流側触媒温度ＴＣＤＴは上流側触媒８０ｕの粒子状物質酸化速度ＶＯＸＵを許容下限ＬＯＸ以上にするのに必要な上流側触媒温度ＴＣＵＴよりも低い。このように、下流側触媒８０ｄの粒子状物質酸化能力は上流側触媒８０ｕの粒子状物質酸化能力よりも高く設定されている。
　さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれている。この粒子状物質は上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄ上に捕集される。一方、燃焼室２では酸素過剰のもとで燃焼が行われている。したがって、燃料噴射弁３及び燃料添加弁２７から燃料が２次的に供給されない限り、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄは酸化雰囲気にある。その結果、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集された粒子状物質は上流側触媒８０ｕ及び下流側触媒８０ｄによって順次酸化される。
　この点、下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの温度は上流側パティキュレートフィルタ２４ｕに比べて低い場合がある。しかしながら、本発明による実施例では、下流側触媒８０ｕは比較的低い温度でも粒子状物質を酸化できる。したがって、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集されている粒子状物質の量を少なく維持することができる。
　排気ガス中にはアッシュも含まれている。このアッシュは主として硫酸カルシウムＣａＳＯ４、リン酸亜鉛カルシウムＣａ１９Ｚｎ２（ＰＯ４）１４のようなカルシウム塩から形成されることが本願発明者らにより確認されている。カルシウムＣａ，亜鉛Ｚｎ，リンＰ等は機関潤滑油に由来し、イオウＳは燃料に由来する。すなわち、硫酸カルシウムＣａＳＯ４を例にとって説明すると、機関潤滑油が燃焼室２内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムＣａが燃料中のイオウＳと結合することにより硫酸カルシウムＣａＳＯ４が生成される。
　上述したように、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの隔壁７２の細孔径はアッシュが通過できるように設定されている。したがって、アッシュは上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄを順次通過する。したがって、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの圧力損失がアッシュにより増大するのが抑制される。
　上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集されている粒子状物質の量、すなわち隔壁７２に堆積している粒子状物質の量が比較的多いときには、この多量の粒子状物質によってアッシュが隔壁７２を通過するのが困難になるおそれがある。しかしながら、本発明による実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄに捕集されている粒子状物質の量が少なく維持される。したがって、アッシュが隔壁７２を容易に通過することができる。
　また、本発明による実施例では、アッシュが上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄ上に長時間にわたり残留するのが抑制される。したがって、アッシュが上流側パティキュレートフィルタ２４ｕ及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄ上で凝集するのが抑制され、したがって隔壁７２を容易に通過できる。
　なお、本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質を除去するＰＭ除去処理は行われない。ＰＭ除去処理は例えば、粒子状物質を酸化除去するためにパティキュレートフィルタ２４の温度をＰＭ除去温度（例えば６００℃）まで上昇させる昇温処理、粒子状物質をＮＯｘにより酸化除去するために、ＥＧＲガス量を減少させることによりパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ量を増大させるＮＯｘ増大処理、粒子状物質をオゾンにより酸化除去するために、パティキュレートフィルタ２４上流の排気通路に連結されたオゾン供給器からオゾンをパティキュレートフィルタ２４に供給するオゾン供給処理から構成される。
　これまで述べてきた本発明による実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの容量及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの容量は互いにほぼ等しい。別の実施例では、図５に示されるように、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの容量が下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの容量よりも大きくされる。このようにすると、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕに捕集されている粒子状物質の量が大幅に増大した場合であっても、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの圧力損失の増大が抑制される。
　また、これまで述べてきた本発明による実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの平均細孔径及び下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの平均細孔径は互いにほぼ等しい。別の実施例では、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの平均細孔径が下流側パティキュレートフィルタ２４ｄの平均細孔径よりも大きくされる。このようにすると、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕに捕集される粒子状物質の量が低減され、上流側パティキュレートフィルタ２４ｕの圧力損失の増大が抑制される。
　１　　機関本体
　２１　　排気管
　２４ｕ　　上流側パティキュレートフィルタ
　２４ｄ　　下流側パティキュレートフィルタ
　８０ｕ　　上流側触媒
　８０ｄ　　下流側触媒

Claims (5)

  1. 　酸素過剰のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタを直列に配置し、
    　これら上流側パティキュレートフィルタ及び下流側パティキュレートフィルタに酸化機能を有する上流側触媒及び下流側触媒をそれぞれ担持し、
    　下流側触媒の粒子状物質酸化能力を上流側触媒の粒子状物質酸化能力よりも高く設定した、
    内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　下流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが下流側パティキュレートフィルタを通過できるように下流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 　上流側パティキュレートフィルタがウォールフロー型パティキュレートフィルタから構成され、アッシュが上流側パティキュレートフィルタを通過できるように上流側パティキュレートフィルタの細孔径が設定されている、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 　上流側触媒が卑金属酸化物を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 　下流側触媒が貴金属を含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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