(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該隔壁の端部分が端面に向ってテーパ状に狭まる錐形となるように該隔壁の端部分同士が部分的に接続されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて上流端開口が小孔とされていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が接続されて該上流端開口が閉塞されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて該通路の上流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が接続されて該下流端開口が閉塞されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に微粒子を酸化することができる酸化物質が担持されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項６】
微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多いことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項７】
排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該端部分同士が部分的に接続されており、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて上流端開口が小孔とされており、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多いことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項８】
排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該端部分同士が部分的に接続されており、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が接続されて該上流端開口が閉塞されており、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多いことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項９】
排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該端部分同士が部分的に接続されており、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて該通路の上流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が接続されて該下流端開口が閉塞されており、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多いことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項１０】
上記隔壁の寄せ集められた端部分の壁面のうち上流側の壁面に担持された酸化物質の量が下流側の壁面に担持された酸化物質の量よりも多いことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項１１】
パティキュレートフィルタの温度を上昇するための処理を実行するように構成されていることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項１２】
周囲に過剰酸素が存在するとＮＯXを取り込んで該ＮＯXを保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持しているＮＯXを放出するＮＯX吸放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持することを特徴とする請求項５〜９のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項１３】
パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持したことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項１４】
上記酸化物質が周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を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放出する活性酸素放出剤であり、該活性酸素放出剤がパティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化するようにしたことを特徴とする請求項１３に記載の排気浄化装置。
【請求項１５】
上記活性酸素放出剤がアルカリ金属またはアルカリ土類金属または希土類または遷移金属からなることを特徴とする請求項１４に記載の排気浄化装置。
【請求項１６】
上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなることを特徴とする請求項１５に記載の排気浄化装置。
【請求項１７】
排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出される排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタが公知である。こうしたパティキュレートフィルタとしては多孔質の材料からハニカム構造体を形成し、このハニカム構造体の複数の通路（以下、フィルタ通路と称す）のうち幾つかのフィルタ通路をその上流端にて栓で塞ぐと共に残りのフィルタ通路をその下流端にて栓で塞ぎ、パティキュレートフィルタに流入した排気ガスがフィルタ通路を形成している壁（以下、フィルタ隔壁と称す）を必ず通ってパティキュレートフィルタから流出するようにしたものが知られている。このタイプのパティキュレートフィルタが特開平９−９４４３４号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このタイプのパティキュレートフィルタによれば排気ガスは必ずフィルタ隔壁を通り、その後にパティキュレートフィルタから流出するのでパティキュレートフィルタの微粒子捕集率は比較的高い。しかしながらパティキュレートフィルタ本体とは別体の栓を用いてフィルタ通路を閉塞する必要があり、したがって生産性が悪く、コストが高い。また図３（Ａ）に示すように排気ガスの一部が栓に衝突するので排気ガスはフィルタ通路内に流入しづらい。さらに栓近傍からフィルタ通路に流入する排気ガスは該フィルタ通路の入口近傍で乱流となるのでこれによっても排気ガスはフィルタ通路内に流入しづらい。さらに図３（Ｂ）に示すようにフィルタ通路の出口近傍においても乱流が形成され、排気ガスが流出しづらい。こうしたことからパティキュレートフィルタの圧損が高い。そこで本発明の目的はパティキュレートフィルタの圧損を低く維持することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための１番目の発明では、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該隔壁の端部分が端面に向ってテーパ状に狭まる錐形となるように該隔壁の端部分同士が部分的に接続されている。
【０００５】
２番目の発明では１番目の発明において、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて上流端開口が小孔とされている。
【０００６】
２番目の発明では１番目の発明において、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が接続されて該上流端開口が閉塞されている。
【０００７】
４番目の発明では１番目の発明において、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて該通路の上流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が接続されて該下流端開口が閉塞されている。
【０００８】
５番目の発明では２〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に微粒子を酸化することができる酸化物質が担持されている。
【０００９】
６番目の発明では２〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多い。
上記課題を解決するための７番目の発明では、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該端部分同士が部分的に接続されており、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて上流端開口が小孔とされており、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多い。
上記課題を解決するための８番目の発明では、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該端部分同士が部分的に接続されており、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が部分的に接続されて該通路の下流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が接続されて該上流端開口が閉塞されており、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多い。
上記課題を解決するための９番目の発明では、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを具備し、該パティキュレートフィルタが通路を画成する隔壁を有し、該隔壁が予め定められた平均細孔径の細孔を内包する多孔質の材料から形成されている排気浄化装置において、上記通路の端部開口が隔壁の細孔の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い流路断面積を有する小孔となるように隔壁の端部分が寄せ集められて該端部分同士が部分的に接続されており、複数の通路を具備し、これら通路のうち一部の通路においては該通路を画成する隔壁の上流端部分が寄せ集められて該上流端部分同士が部分的に接続されて該通路の上流端開口が小孔とされ、残りの通路においては該通路を画成する隔壁の下流端部分が寄せ集められて該下流端部分同士が接続されて該下流端開口が閉塞されており、微粒子を酸化することができる酸化物質が隔壁に担持されており、上記隔壁の寄せ集められた上流端部分に担持されている酸化物質の量が上記隔壁の寄せ集められた下流端部分に担持されている酸化物質の量よりも多い。
【００１０】
１０番目の発明では５〜９番目の発明のいずれか１つにおいて、上記隔壁の寄せ集められた端部分の壁面のうち上流側の壁面に担持された酸化物質の量が下流側の壁面に担持された酸化物質の量よりも多い。
【００１１】
１１番目の発明では５〜１０番目の発明のいずれか１つにおいて、パティキュレートフィルタの温度を上昇するための処理を実行するように構成されている。
【００１２】
１２番目の発明では５〜９番目の発明のいずれか１つにおいて、周囲に過剰酸素が存在するとＮＯXを取り込んで該ＮＯXを保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持しているＮＯXを放出するＮＯX吸放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持する。
【００１３】
１３番目の発明では５〜９番目の発明のいずれか１つにおいて、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した。
【００１４】
１４番目の発明では１３番目の発明において、上記酸化物質が周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を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放出する活性酸素放出剤であり、該活性酸素放出剤がパティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化するようにした。
【００１５】
１５番目の発明では１４番目の発明において、上記活性酸素放出剤がアルカリ金属またはアルカリ土類金属または希土類または遷移金属からなる。
【００１６】
１６番目の発明では１５番目の発明において、上記アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる。
【００１７】
１７番目の発明では１４番目の発明において、排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の第１実施例を説明する。図１（Ａ）はパティキュレートフィルタの端面図であり、図１（Ｂ）はパティキュレートフィルタの縦断面図である。図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示したようにパティキュレートフィルタ２２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５０，５１を具備する。
【００１９】
これら排気流通路はその下流端においてテーパ壁（以下、下流側テーパ壁と称す）５２によりその流路断面積がその他の領域の排気流通路の流路断面積よりも小さくされた排気ガス流入通路５０と、その上流端においてテーパ壁（以下、上流側テーパ壁と称す）５３によりその流路断面積がその他の領域の排気流通路の流路断面積よりも小さくされた排気ガス流出通路５１とにより構成される。
【００２０】
詳しくは後に説明するが下流側テーパ壁５２はパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０を画成する隔壁の下流端隔壁部分を寄せ集めてその一部分同志が接続されることにより形成されている。一方、上流側テーパ壁５３はパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流出通路５１を画成する隔壁の上流端隔壁部分を寄せ集めてその一部同志が接続されることにより形成されている。
【００２１】
したがって排気流通路のうち一部の排気流通路５０はその下流端にて下流側テーパ壁５２によりその流路断面積よりも小さい開口面積を有する小孔５５を有し、残りの排気通路５１はその上流端にて上流側テーパ壁５３によりその流路断面積よりも小さい開口面積を有する小孔５６を有する。
【００２２】
第１実施例ではこれら排気ガス流入通路５０および排気ガス流出通路５１は薄肉の隔壁５４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５０および排気ガス流出通路５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１により包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０により包囲されるように配置される。すなわち隣接する２つの排気流通路のうち一方の排気流通路５０はその下流端にて下流側テーパ壁５２によりその流路断面積が小さくされ、他方の排気流通路５１はその上流端にて上流側テーパ壁５３によりその流路断面積が小さくされている。
【００２３】
パティキュレートフィルタ２２は予め定められた平均径の細孔を内包する例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、したがって排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図１（Ｂ）において矢印で示したように周囲の隔壁５４の細孔を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流入する。もちろんテーパ壁５２，５３も隔壁５４と同じ材料から形成されているので排気ガスは図２（Ａ）に示したように上流側テーパ壁５３の細孔を通って排気ガス流出通路５１内に流入することができ、また図２（Ｂ）に示したように下流側テーパ壁５２の細孔を通って流出することができる。
【００２４】
また排気ガスは上流側テーパ壁５３の先端に形成された小孔５６を介しても排気ガス流出通路５１内に流入することができ、下流側テーパ壁５２の先端の小孔５５を介しても流出することができる。
【００２５】
なお本発明においてテーパ壁５２，５３の先端に形成された小孔５５，５６の大きさはテーパ壁５２，５３の細孔径よりも大きい。また小孔５６，５５の大きさはパティキュレートフィルタ２２に単位時間当たりに流入する微粒子の量とパティキュレートフィルタ２２の微粒子捕集率とから算出されるパティキュレートフィルタ２２から流出する微粒子の量が許容量以下となるように決定される。云い換えれば本発明によれば目標とする微粒子捕集率に応じて小孔５５，５６の大きさを変えることによりパティキュレートフィルタ２２の微粒子捕集率と圧損の値とを容易に変更することができる。
【００２６】
ところで上流側テーパ壁５３は排気ガス流出通路５１の流路断面積が徐々に小さくなるように上流へ向かって円錐状に狭まる形状をしている。したがって４つの上流側テーパ壁５３により囲まれて形成される排気ガス流入通路５０の上流端は排気ガス流入通路５０の流路断面積が徐々に大きくなるように上流へ向かって円錐状に広がる形状をしている。これによれば図３（Ａ）に示したように排気ガス流入通路の入口開口が構成されている場合に比べて排気ガスはパティキュレートフィルタに流入しやすい。
【００２７】
すなわち図３（Ａ）に示したパティキュレートフィルタでは排気ガス流出通路の上流端が栓７２により閉塞される。この場合、７３で示したように排気ガスの一部が栓７２に衝突するのでパティキュレートフィルタの圧損が大きくなる。また栓７２近傍から排気ガス流入通路に流入する排気ガスは７４で示したように入口近傍にて乱流となるのでこれによっても排気ガスは排気ガス流入通路内に流入しづらくなる。このためパティキュレートフィルタの圧損がさらに大きくなる。
【００２８】
一方、本発明のパティキュレートフィルタ２２では図２（Ａ）に示したように排気ガスは乱流となることなく排気ガス流入通路５０に流入することができる。このため本発明によれば排気ガスはパティキュレートフィルタ２２に流入しやすい。したがってパティキュレートフィルタ２２の圧損は低い。
【００２９】
さらに図３に示したパティキュレートフィルタでは排気ガス中の微粒子は栓７２の上流端面およびその近傍の隔壁の表面に多く堆積しやすい。これは排気ガスが栓７２に衝突し、しかも栓７２近傍にて排気ガスが乱流となることに起因する。ところが本発明のパティキュレートフィルタ２２では上流側テーパ壁５３が円錐状であるので排気ガスが強く衝突する上流端面が存在せず、しかも上流端面近傍にて排気ガスは乱流とはならない。したがって本発明によれば微粒子がパティキュレートフィルタ２２の上流端の領域に多く堆積することはなく、パティキュレートフィルタ２２の圧損が高くなることはない。
【００３０】
一方、下流側テーパ壁５２は排気ガス流入通路５０の流路断面積が徐々に小さくなるように下流へ向かって円錐状に狭まる形状をしている。したがって４つの下流側テーパ壁５２により囲まれて形成される排気ガス流出通路５１の下流端は排気ガス流出通路５１の流路断面積が徐々に大きくなるように下流へ向かって円錐状に広がる形状をしている。これによれば図３（Ｂ）に示したように排気ガス流出通路の出口開口が構成されている場合に比べて排気ガスはパティキュレートフィルタから流出しやすい。
【００３１】
すなわち図３（Ｂ）に示したパティキュレートフィルタでは排気ガス流入通路の下流端が栓７０により閉塞され、排気ガス流出通路はその出口開口まで直線的に延びる。この場合、排気ガス流出通路の出口開口から流出した排気ガスの一部が栓７０の下流端面に沿って流れ、したがって排気ガス流出通路の出口開口近傍に乱流７１が形成される。このように乱流が形成されると排気ガスは排気ガス流出通路から流出しづらくなる。
【００３２】
一方、本発明のパティキュレートフィルタ２２では図２（Ｂ）に示したように排気ガスは乱流となることなく排気ガス流出通路５１の端部の出口開口から流出することができる。このため本発明によれば排気ガスはパティキュレートフィルタ２２から比較的流出しやすい。したがってこれによってもパティキュレートフィルタ２２の圧損が低い値とされる。
【００３３】
なおテーパ壁はパティキュレートフィルタ２２の外側に向かって徐々に狭くなる形状であれば円錐状以外の形状、例えば四角錐状であってもよい。
【００３４】
ところでパティキュレートフィルタの圧損は潜在的に低いほど好ましい。また例えばパティキュレートフィルタが内燃機関に搭載されている場合、内燃機関の運転制御はパティキュレートフィルタの潜在的な圧損を考慮して設計されるので内燃機関の運転中においてパティキュレートフィルタの圧損が高くなって潜在的に達成可能な値からずれると内燃機関全体としてはその性能が低下してしまう。
【００３５】
このようにパティキュレートフィルタにおいてはその圧損が潜在的に低く、さらにその使用中においてその圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれないようにすることがその性能上は重要である。
【００３６】
そこで本発明によれば上述したようにパティキュレートフィルタの排気流通路の上流端領域を画成する隔壁をテーパ状の壁とすることにより排気ガスが排気流通路に流入するときに乱流となることを防止し、これによりパティキュレートフィルタ２２の圧損が潜在的に低くなるようにしている。
【００３７】
また上述したようにパティキュレートフィルタ２２の排気流通路の上流端領域を画成する隔壁がテーパ状の壁とされていることにより当該テーパ状の壁の壁面には微粒子は堆積しづらくなる。すなわちパティキュレートフィルタ２２の使用中においてテーパ状の壁の壁面上に微粒子が堆積して排気流通路に流入する排気ガス流が乱流となってしまうことが抑制されている。これにより本発明によればパティキュレートフィルタ２２の使用中において圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。
【００３８】
ところで排気ガス中には微粒子以外にも燃料が燃焼した後に残る無機質や不燃性残留物（以下、アッシュと称す）が含まれている。したがってパティキュレートフィルタ２２にはこうしたアッシュも流入し、排気ガス流入通路５０内にアッシュが堆積する。
【００３９】
排気ガス流入通路５０内に堆積するアッシュの量（以下、堆積アッシュ量と称す）が多くなるとパティキュレートフィルタ２２の圧損が上昇する。上述したようにパティキュレートフィルタ２２においてはその使用中において圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれないようにすることがその性能上は重要である。そしてこうするためには堆積アッシュ量を少なくすることが必要であり、これに加えて排気ガス流入通路５０内に堆積したアッシュを排除することができれば好ましい。
【００４０】
本発明のパティキュレートフィルタ２２では下流側テーパ壁５２に小孔５５が形成されているので排気ガス流入通路５０に流入したアッシュは小孔５５を介して流出することができる。このため排気ガス流入通路５０内にアッシュが堆積することが抑制されるのでパティキュレートフィルタ２２の圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。
【００４１】
また排気ガス流入通路５０内に堆積しているアッシュの量が多くなると下流側テーパ壁５２の小孔５５および上流側テーパ壁５３の小孔５６を介して流出する排気ガスの量が多くなる。したがって排気ガス流入通路５０内に新たに堆積するアッシュの量が少なくなるのでパティキュレートフィルタ２２の圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。
【００４２】
さらに排気ガス流入通路５０内に堆積しているアッシュや微粒子の量が多くなって排気ガス流入通路５０内の圧力が増大するとその圧力により排気ガス流入通路５０内に堆積しているアッシュが下流領域へと移動せしめられ、最終的には小孔５５から排出される。したがってパティキュレートフィルタ２２の圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。また排気ガス流入通路５０内に堆積しているアッシュが排気ガス流入通路５０内の圧力によりパティキュレートフィルタ２２から排出されるので本実施例によればアッシュをパティキュレートフィルタ２２から排出するための特別な処理を実行する必要が少なくなる。
【００４３】
さらに排気ガス流入通路５０内に堆積しているアッシュや微粒子の量が多くなると排気ガスは隔壁５４を通過しづらくなり、したがって排気ガス流入通路５０内の圧力は高くなる。このとき下流側テーパ壁５２の小孔５５および上流側テーパ壁５３の小孔５６から流入する排気ガスの量が多くなる。したがって排気ガス流入通路５０内の圧力が高くなったとしてもパティキュレートフィルタ２２の圧損が潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。
【００４４】
またパティキュレートフィルタ２２内に多量の微粒子が堆積されるとこれら微粒子が一気に燃焼したときにその燃焼熱によりパティキュレートフィルタ２２が溶損する可能性がある。しかしながら本発明によればパティキュレートフィルタ２２内に多量の微粒子が堆積されることはないのでパティキュレートフィルタ２２が微粒子の燃焼熱により溶損せしめられることが抑制される。
【００４５】
次にパティキュレートフィルタの製造方法について簡単に説明する。始めにコージライトなどの多孔質材料から図４に示したような円筒形のハニカム構造体８０が押出成形される。次に図５に示した型９０がハニカム構造体８０の端面に押し付けられる。
【００４６】
図５（Ａ）に示したように型９０は円錐状の複数の突起９１を有する。図５（Ｂ）には１つの突起９１を示した。型９０は所定の排気流通路それぞれに突起９１が挿入されるようにしてハニカム構造体８０の端面に押し付けられる。このとき所定の排気流通路を形成する隔壁の端部分が寄せ集められて当該端部分同志が部分的に接続され、テーパ壁と小孔とが形成される。
【００４７】
次いでハニカム構造体が乾燥せしめられる。次いでハニカム構造体が焼成せしめられる。こうしてパティキュレートフィルタ２２が形成される。
【００４８】
上述したようにパティキュレートフィルタ２２の排気流通路の端部は隔壁５４と同じ多孔質材料にて構成されたテーパ壁５２，５３によって狭くされている。したがってパティキュレートフィルタ２２の排気流通路５０，５１の端部を狭くすることは上述したようにハニカム構造体８０の端面に型９０を押し付けるという極めて簡単な方法により達成される。
【００４９】
なお型９０をハニカム構造体８０の端面に押し付ける工程はハニカム構造体が乾燥せしめられた後に実行されてもよい。あるいはハニカム構造体８０が焼成された後にハニカム構造体８０の端部分を軟化し、その後、この軟化せしめられた端部分に型９０を押し付けるようにしてもよい。なおこの場合にはその後にハニカム構造体８０の端部分が再び焼成される。
【００５０】
ところで上述したように本発明のパティキュレートフィルタ２２においてはその使用中において上流側テーパ壁５３に微粒子は堆積しづらい。とはいえ上流側テーパ壁５３に微粒子が堆積することもありうる。この場合、パティキュレートフィルタ２２の使用中においてその圧損が高くなってしまう。上述したようにパティキュレートフィルタ２２においてはその使用中において圧損が潜在的に達成可能な値から大きくずれないようにすることがその性能上は重要である。そしてパティキュレートフィルタ２２の圧損がその使用中において微粒子の堆積により潜在的に達成可能な値から大きくずれないようにするためにはパティキュレートフィルタ２２から微粒子を排除する必要がある。
【００５１】
そこで本発明では上流側テーパ壁５３に微粒子を酸化除去することができる酸化物質を担持させ、上流側テーパ壁５３に堆積した微粒子を酸化除去するようにする。これによれば上流側テーパ壁５３に捕集された微粒子は継続的に酸化除去されるので上流側テーパ壁５３上に多量の微粒子が堆積することはない。したがってパティキュレートフィルタ２２の使用中において圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。
【００５２】
このように本発明によればパティキュレートフィルタ２２の圧損を潜在的に低くするために排気ガス流出通路５１の上流端をテーパ状の多孔質の壁とするという構成から特有に生じる問題、すなわちパティキュレートフィルタ使用中において圧損が達成可能な値から大きくずれるという問題が回避される。
【００５３】
なお本実施例では酸化物質はパティキュレートフィルタ２２全体、すなわち上流側テーパ壁５３のみならず隔壁５４および下流側テーパ壁５２にも担持される。また酸化物質は上流側テーパ壁５３、下流側テーパ壁５２、および隔壁５４の壁面のみならずその内部の細孔壁にも担持される。また本実施例では単位体積当たりに上流側テーパ壁５３に担持させる酸化物質の量は単位体積当たりに隔壁５４および下流側テーパ壁５２に担持させる酸化物質の量よりも多くされる。
【００５４】
ところでパティキュレートフィルタ２２のテーパ壁５２，５３は排気ガスの流れに対する向きの理由から隔壁５４に比べて排気ガスを通しやすい。すなわち単位面積当たりのテーパ壁５２，５３を通過する排気ガス量は単位面積当たりの隔壁５４を通過する排気ガス量よりも多い。したがって堆積する可能性のある微粒子の量は隔壁５４よりもテーパ壁５２，５３のほうが多く、テーパ壁５２，５３は隔壁５４よりも微粒子により閉塞されやすい。
【００５５】
そこで単位体積当たりにテーパ壁５２，５３に担持させる酸化物質の量は単位体積当たりに隔壁５４に担持させる酸化物質の量よりも多くされる。これによればテーパ壁５２，５３において単位時間当たりに酸化除去可能な微粒子量が隔壁５４において単位時間当たりに酸化除去可能な微粒子量よりも多くなる。したがってテーパ壁５２，５３に微粒子が多量に堆積することが防止される。
【００５６】
またテーパ壁５２，５３に酸化物質を多く担持させることにより若干ではあるがテーパ壁５２，５３を排気ガスが通過しづらくなる。このため排気ガスはテーパ壁５２，５３と隔壁５４とを比較的均等に通過するようになる。斯くしてテーパ壁５２，５３に微粒子が多量に堆積することが防止される。しかもこれによればパティキュレートフィルタ２２のテーパ壁５２，５３と隔壁５４とが微粒子の捕集のために効率良く利用される。
【００５７】
ところで微粒子はテーパ壁５２，５３の壁面のうち上流側の壁面に多く堆積する。すなわちテーパ壁５２，５３はその下流側の壁面よりも上流側の壁面のほうが閉塞されやすい。そこで単位体積当たりにテーパ壁５２，５３に担持させる酸化物質の量が下流側の壁面よりも上流側の壁面のほうが多くされる。これによればテーパ壁５２，５３の細孔が微粒子により閉塞されることが防止される。
【００５８】
次にパティキュレートフィルタ２２に担持される酸化物質について詳細に説明する。第１実施例では各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面、すなわち各隔壁５４の両側表面上、テーパ壁５２，５３の両側表面上、に全面に亘って例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒と、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を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放出する活性酸素放出剤とが担持されている。第１実施例の酸化物質はこの活性酸素放出剤である。
【００５９】
第１実施例では貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウム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ている。
【００６０】
なお活性酸素放出剤としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましい。
【００６１】
次にパティキュレートフィルタ２２による排気ガス中の微粒子除去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微粒子除去作用が行われる。
【００６２】
例えばパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスが空気過剰のもとで燃焼が行われる圧縮着火式内燃機関から排出されるガスであるとして説明するとパティキュレートフィルタ２２に流入する排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。すなわち吸気通路および燃焼室５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では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また圧縮着火式内燃機関の燃焼室内ではＮＯが発生するので排気ガス中にはＮＯが含まれている。また燃料中には硫黄成分Ｓが含まれており、この硫黄成分Ｓは燃焼室内で酸素と反応してＳＯ2となる。したがって排気ガス中にはＳＯ2が含まれている。このため過剰酸素、ＮＯおよびＳＯ2を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００６３】
図６（Ａ）および（Ｂ）は排気ガス流入通路５０の内周面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の粒子を示しており、６１はカリウムＫを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
【００６４】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内に流入すると図６（Ａ）に示したようにこれら酸素Ｏ2がＯ2-またはＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ2-またはＯ2-と反応し、ＮＯ2となる（２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2）。次いで生成されたＮＯ2の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら図６（Ａ）に示したように硝酸イオンＮＯ3-の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硝酸カリウムＫＮＯ3を生成する。
【００６５】
一方、上述したように排気ガス中にはＳＯ2も含まれており、このＳＯ2もＮＯと同様なメカニズムにより活性酸素放出剤６１内に吸収される。すなわち上述したように酸素Ｏ2がＯ2-またはＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、排気ガス中のＳＯ2は白金Ｐｔの表面でＯ2-またはＯ2-と反応してＳＯ3となる。次いで生成されたＳＯ3の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収され、カリウムＫと結合しながら硫酸イオンＳＯ42-の形で活性酸素放出剤６１内に拡散し、硫酸カリウムＫ2ＳＯ4を生成する。このようにして活性酸素放出剤６１内には硝酸カリウムＫＮＯ3および硫酸カリウムＫ2ＳＯ4が生成される。
【００６６】
一方、燃焼室５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、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パティキュレートフィルタ２２の排気ガス流入通路５０内を流れているとき、或いは排気ガス流入通路５０から排気ガス流出通路５１に向かうときに図６（Ｂ）において６２で示したように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤６１の表面上に接触し、付着する。
【００６７】
このように微粒子６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面では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放出剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤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と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、その一方でＮＯが活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＮＯは下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。
【００６８】
またこのとき活性酸素放出剤６１内に形成されている硫酸カリウムＫ2ＳＯ4もカリウムＫと酸素ＯとＳＯ2とに分解され、酸素Ｏが微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かい、その一方でＳＯ2が活性酸素放出剤６１から外部に放出される。外部に放出されたＳＯ2は下流側の白金Ｐｔ上において酸化され、再び活性酸素放出剤６１内に吸収される。ただし硫酸カリウムＫ2ＳＯ4は安定で分解しづらいので硫酸カリウムＫ2ＳＯ4は硝酸カリウムＫＮＯ3よりも活性酸素を放出しづらい。
【００６９】
また活性酸素放出剤６１は上述したようにＮＯXを硝酸イオンＮＯ3-の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。同様に活性酸素放出剤６１は上述したようにＳＯ2を硫酸イオンＳＯ42-の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。
【００７０】
ところで微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素Ｏは硝酸カリウムＫＮＯ3や硫酸カリウムＫ2ＳＯ4のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Ｏは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。したがって微粒子６２と活性酸素放出剤６１との接触面に向かう酸素は活性酸素Ｏとなっている。同様に活性酸素放出剤６１におけるＮＯXと酸素との反応過程、或いはＳＯ2と酸素との反応過程にて生成される酸素も活性酸素となっている。これら活性酸素Ｏが微粒子６２に接触すると微粒子６２は短時間（数秒〜数十分）のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子６２は完全に消滅する。したがって微粒子６２がパティキュレートフィルタ２２上に堆積することはほとんどない。
【００７１】
従来のようにパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２２が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、したがってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温に維持しなければならない。
【００７２】
これに対して本発明では微粒子６２は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ２２の表面が赤熱することもない。すなわち云い換えると本発明では従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子６２が酸化除去せしめられている。したがって本発明による輝炎を発しない微粒子６２の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【００７３】
ところで白金Ｐｔおよび活性酸素放出剤６１はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど活性化するのでパティキュレートフィルタ２２上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ２２の温度が高くなるほど増大する。
【００７４】
図８の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Ｇを示している。なお図８において横軸はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを示している。単位時間当りにパティキュレートフィルタ２２に流入する微粒子の量を流入微粒子量Ｍと称するとこの流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子Ｇよりも少ないとき、すなわち図８の領域Ｉにあるときにはパティキュレートフィルタ２２に流入した全ての微粒子がパティキュレートフィルタ２２に接触すると短時間（数秒から数十分）のうちにパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【００７５】
これに対して流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多いとき、すなわち図８の領域IIにあるときには全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図７（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。すなわち全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図７（Ａ）に示したように微粒子６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると微粒子６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果、図７（Ｂ）に示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われるようになる。
【００７６】
担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われると白金ＰｔによるＮＯ，ＳＯ2の酸化作用および活性酸素放出剤６１による活性酸素の放出作用が行われなくなるために残留微粒子部分６３は酸化されることなくそのまま残り、斯くして図７（Ｃ）に示したように残留微粒子部分６３の上に別の微粒子６４が次から次へと堆積する。すなわち微粒子が積層状に堆積することになる。
【００７７】
このように微粒子が積層状に堆積すると微粒子６４はもはや活性酸素Ｏにより酸化されることがなく、したがってこの微粒子６４上にさらに別の微粒子が次から次へと堆積する。すなわち流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ２２上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ２２の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【００７８】
このように図８の領域Ｉでは微粒子はパティキュレートフィルタ２２上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図８の領域IIでは微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積する。したがって微粒子がパティキュレートフィルタ２２上に積層状に堆積しないようにするためには流入微粒子量Ｍが常時、酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少ない必要がある。
【００７９】
図８から判るように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ２２ではパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、したがって流入微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少なくなるように維持されている。
【００８０】
このように流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも常時、少ないとパティキュレートフィルタ２２上に微粒子がほとんど堆積せず、斯くして背圧がほとんど上昇しない。
【００８１】
一方、前述したようにいったん微粒子がパティキュレートフィルタ２２上において積層状に堆積するとたとえ流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなったとしても活性酸素Ｏにより微粒子を酸化させることは困難である。しかしながら酸化されなかった微粒子部分が残留し始めているとき、すなわち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Ｏにより輝炎を発することなく酸化除去される。
【００８２】
次に本発明の第２実施例のパティキュレートフィルタについて説明する。図９に第２実施例のパティキュレートフィルタを示した。図９（Ａ）はパティキュレートフィルタの端面図であり、図９（Ｂ）はパティキュレートフィルタの縦断面図である。第２実施例のパティキュレートフィルタ２２の構成は第１実施例のパティキュレートフィルタの構成と基本的に同一である。したがって以下において説明していない第２実施例の構成および作用は第１実施例のそれと同様である。
【００８３】
第２実施例のパティキュレートフィルタ２２では下流側テーパ壁５２の先端には第１実施例の下流側テーパ壁５２と同様に小孔５５が形成されている。しかしながら上流側テーパ壁５３の先端には小孔は形成されていない。すなわち排気ガス流出通路５１は上流側テーパ壁５３により完全に閉塞されている。したがって第２実施例のパティキュレートフィルタ２２の微粒子捕集率は第１実施例のそれよりも高い。
【００８４】
第２実施例においては排気ガス流入通路５０内にアッシュや微粒子が堆積して排気ガスが隔壁５４を通過しづらくなったとしても、排気ガス流入通路５０内に新たに流入した排気ガスは小孔５５を介してパティキュレートフィルタ２２から流出することができる。したがって本実施例によればパティキュレートフィルタ２２の圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。
【００８５】
また第２実施例においては排気ガス流入通路５０内に堆積しているアッシュや微粒子の量が多くなって排気ガス流入通路５０内の圧力が上昇するとその圧力によりアッシュは小孔５５を介してパティキュレートフィルタ２２から排出される。したがって本実施例によればパティキュレートフィルタ２２内に堆積しているアッシュの量が常に少なく維持されるのでアッシュをパティキュレートフィルタ１２から排除するための特別な処理をする必要が少ない。
【００８６】
さらに第２実施例においては排気ガス流入通路５０内に堆積している微粒子の量が多くなって排気ガスが隔壁５４を通過しづらくなると排気ガス流入通路５０内に新たに流入する微粒子は小孔５５を介してパティキュレートフィルタ２２から流出する。すなわちパティキュレートフィルタ２２内に堆積している微粒子の量は或る一定量以下に維持されている。これによれば多量の微粒子がパティキュレートフィルタ２２内にて一気に燃焼することがなく、したがって微粒子の燃焼熱によりパティキュレートフィルタ２２が溶損することが抑制される。
【００８７】
さらに第２実施例のパティキュレートフィルタ２２には酸化物質が担持されているので堆積微粒子は徐々に酸化除去される。したがって堆積微粒子量が多くなって微粒子がパティキュレートフィルタ２２に捕集されることなく流出し始め、結果的にパティキュレートフィルタ２２に新たに捕集される微粒子の量（以下、捕集微粒子量と称す）が少なくなったときにも堆積微粒子は酸化物質により酸化除去され続けている。このように堆積微粒子が酸化除去されれば捕集微粒子量が増大し、微粒子はパティキュレートフィルタ２２に捕集されるので結果的にはパティキュレートフィルタ２２に捕集されずにそこから流出する微粒子の量は少ない。
【００８８】
なお排気ガス流入通路５０内に堆積したアッシュが排気ガス流入通路５０内に圧力によりパティキュレートフィルタ２２から排出される直前においては排気ガス流入通路５０内に圧力が一時的に高くなることがある。第１実施例によればこのときパティキュレートフィルタ２２に新たに到来する排気ガスは上流側テーパ壁５３の小孔５６を介して排気ガス流出通路５１を通り、パティキュレートフィルタ２２から流出するので排気ガス流入通路５０内の圧力がこれ以上高くなることはない。
【００８９】
しかしながら第２実施例ではアッシュがパティキュレートフィルタ２２から排出されるまでは排気ガス流入通路５０内の圧力、すなわちパティキュレートフィルタ２２の圧損が一時的にではあるが高くなり続ける可能性がある。したがって第２実施例のパティキュレートフィルタはその圧損が一時的に高くなったとしてもパティキュレートフィルタ２２の性能上問題ない場合、或いはより高い微粒子捕集率が要求されている場合に有効である。
【００９０】
また第１実施例に関連して説明した製造方法を利用して排気ガス流出通路５１を上流側テーパ壁５３により完全に閉塞するためには型９０をハニカム構造体８０の上流側の端面に押し付ける程度を大きくすればよい
次に本発明の第３実施例のパティキュレートフィルタについて説明する。図１０に第３実施例のパティキュレートフィルタを示した。図１０（Ａ）はパティキュレートフィルタの端面図であり、図１０（Ｂ）はパティキュレートフィルタの縦断面図である。第３実施例のパティキュレートフィルタ２２の構成は第１実施例のパティキュレートフィルタの構成と基本的に同一である。したがって以下では第１実施例のパティキュレートフィルタの構成とは異なる構成のみについて説明する。
【００９１】
第３実施例のパティキュレートフィルタ２２では上流側テーパ壁５３の先端には第１実施例の上流側テーパ壁５２を同様に小孔５６が形成されている。しかしながら下流側テーパ壁５２の先端には小孔は形成されていない。すなわち排気ガス流入通路５０は下流側テーパ壁５２により完全に閉塞されている。したがって第３実施例のパティキュレートフィルタ２２の微粒子捕集率は第１実施例のそれよりも高い。
【００９２】
第３実施例においては排気ガス流入通路５０内にアッシュや微粒子が堆積して排気ガスが隔壁５４を通過しづらくなったとしても、パティキュレートフィルタ２２に新たに到来する排気ガスは上流側テーパ壁５３の小孔５６を介してパティキュレートフィルタ２２から流出することができる。したがって本実施例によればパティキュレートフィルタの圧損が高くなったとしても潜在的に達成可能な値から大きくずれることが抑制される。
【００９３】
また第３実施例においては上述したように排気ガス流入通路５０内にアッシュや微粒子が堆積して排気ガスが隔壁５４を通過しづらくなると上流側テーパ壁５３の小孔５６を介してパティキュレートフィルタ２２から流出する排気ガスの量が多くなる。すなわちパティキュレートフィルタ２２に新たに到来するアッシュの一部が上流側テーパ壁５３の小孔５６を介してパティキュレートフィルタ２２から排出される。したがって排気ガス流入通路５０内に堆積するアッシュの量が許容量以上になるまでにかかる時間が長くなるのでパティキュレートフィルタ２２内に堆積したアッシュを排除するための特別な処理をする必要が少なくなる。
【００９４】
さらに第３実施例においては上述したように排気ガス流入通路５０内にアッシュや微粒子が堆積して排気ガスが隔壁５４を通過しづらくなると上流側テーパ壁５３の小孔５６を介してパティキュレートフィルタ２２から流出する排気ガスの量が多くなる。すなわちパティキュレートフィルタ２２に新たに到来する微粒子の一部が上流側テーパ壁５３の小孔５６を介してパティキュレートフィルタ２２から排出される。したがって排気ガス流入通路５０内に堆積する微粒子の量が許容量以上になるまでにかかる時間が長くなるのでパティキュレートフィルタ２２が微粒子の燃焼熱により溶損せしめられる可能性が低減される。
【００９５】
もちろん第３実施例のパティキュレートフィルタ２２には酸化物質が担持されているので排気ガス流入通路５０内に堆積する微粒子の量が許容量以上となるまでにかかる時間が長ければそれまでに微粒子は酸化物質により酸化除去されるので結局のところ堆積微粒子量が許容量以上となることが抑制される。
【００９６】
なお第３実施例のパティキュレートフィルタ２２は排気ガス中のアッシュの量が極めて少なく且つ潜在的な圧損が第１実施例における潜在的な圧損よりも高くてもパティキュレートフィルタ２２の性能上問題ない場合、或いはより高い微粒子捕集率が要求されている場合に有効である。
【００９７】
また第１実施例に関連して説明した製造方法を利用して排気ガス流入通路５０を下流側テーパ壁５２により完全に閉塞するためには型９０をハニカム構造体８０の下流側の端面に押し付ける程度を大きくすればよい。
【００９８】
最後に上述したパティキュレートフィルタ２２を内燃機関に搭載したときの内燃機関の制御について説明する。図１１は本発明のパティキュレートフィルタ２２を搭載した圧縮着火式内燃機関を示している。なお本発明のパティキュレートフィルタは火花点火式内燃機関にも搭載可能である。
【００９９】
図１１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。
【０１００】
吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、さらに吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１１に示した内燃機関では冷却装置１８内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水により吸入空気が冷却される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２０ａを介してパティキュレートフィルタ２２を内蔵したケーシング２３に連結される。
【０１０１】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。またＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。図１１に示した内燃機関では冷却装置２６内に機関冷却水が導かれ、この機関冷却水によりＥＧＲガスが冷却される。
【０１０２】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取り付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【０１０３】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１により互いに接続された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および出力ポート３６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。またパティキュレートフィルタ２２にはパティキュレートフィルタ２２の温度を検出するための温度センサ３９が取り付けられ、この温度センサ３９の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【０１０４】
アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１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。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。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６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、および燃料ポンプ２８に接続される。
【０１０５】
ところで上述したようにいったん微粒子がパティキュレートフィルタ２２上において積層状に堆積するとたとえ流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなったとしても活性酸素Ｏにより微粒子を酸化させることは困難である。特に機関始動直後はパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦは低く、したがってこのときには流入微粒子量Ｍのほうが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも多くなる。
【０１０６】
しかしながら酸化されなかった微粒子部分が残留し始めているとき、すなわち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Ｏにより輝炎を発することなく酸化除去される。
【０１０７】
したがって流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも通常少なくなり、かつ流入微粒子量Ｍが一時的に酸化除去可能微粒子量Ｇより多くなったとしても図７（Ｂ）に示したように担体層の表面が残留微粒子部分６３により覆われないように、すなわち流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇより少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ２２上に積層しないように流入微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを維持する。
【０１０８】
ところがこのように流入微粒子量Ｍおよびパティキュレートフィルタ２２の温度ＴＦを制御していたとしてもパティキュレートフィルタ２２上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合には排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ２２上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させることができる。
【０１０９】
すなわち排気ガスの空燃比がリーンである状態が一定期間に亘って継続すると白金Ｐｔ上に酸素が多量に付着し、このために白金Ｐｔの触媒作用が低下してしまう。ところが排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させると白金Ｐｔから酸素が除去され、斯くして白金Ｐｔの触媒作用が回復する。これにより排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出剤６１から外部に活性酸素Ｏが一気に放出されやすくなる。斯くして一気に放出された活性酸素Ｏにより堆積している微粒子が酸化されやすい状態に変質せしめられると共に微粒子が活性酸素により輝炎を発することなく燃焼除去される。斯くして排気ガスの空燃比をリッチとすると全体として酸化除去可能微粒子量Ｇが増大する。
【０１１０】
なおこの場合、パティキュレートフィルタ２２上において微粒子が積層状に堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチにしてもよいし、微粒子が積層状に堆積しているか否かに係わらず周期的に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよい。
【０１１１】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては例えば機関負荷が比較的低いときにＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））が６５パーセント以上となるようにスロットル弁１７の開度およびＥＧＲ制御弁２５の開度を制御し、このとき燃焼室５内における平均空燃比がリッチになるように噴射量を制御する方法を用いることができる。
【０１１２】
ところで上述したようにパティキュレートフィルタ２２に酸化除去することができないほど微粒子が堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチにすることにより微粒子を酸化除去するようにしている場合、第１実施例のパティキュレートフィルタ２２はその上流領域への炭化水素の付着が防止されるという点で優れている。すなわち排気ガスの空燃比をリッチとすると炭化水素がパティキュレートフィルタ２２に流入する。このときパティキュレートフィルタ２２には上流側ほど炭化水素が付着しやすい。
【０１１３】
ここでパティキュレートフィルタ２２は上流領域ほどその温度が低いので付着した炭化水素は消費されずらく、徐々に堆積してしまう傾向にある。ところが本発明ではパティキュレートフィルタ２２の上流領域の部分に多くの酸化物質が担持されているので炭化水素は堆積することなく良好に消費される。斯くしてパティキュレートフィルタ２２の上流領域が炭化水素により閉塞されることが防止される。
【０１１４】
以上説明した内燃機関の運転制御ルーチンの一例を図１２に示した。図１２を参照するとまず初めにステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきか否かが判別される。燃焼室５内の平均空燃比をリッチにする必要がないときには流入微粒子量Ｍが酸化除去可能微粒子量Ｇよりも少なくなるようにステップ１０１においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０２においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、ステップ１０３において燃料噴射量が制御される。
【０１１５】
一方、ステップ１００において燃焼室５内の平均空燃比をリッチにすべきであると判別されたときにはＥＧＲ率が６５パーセント以上になるようにステップ１０４においてスロットル弁１７の開度が制御され、ステップ１０５においてＥＧＲ制御弁２５の開度が制御され、燃焼室５内の平均空燃比がリッチとなるようにステップ１０６において燃料噴射量が制御される。
【０１１６】
ところで燃料や潤滑油はカルシウムＣａを含んでおり、したがって排気ガス中にカルシウムＣａが含まれている。このカルシウムＣａはＳＯ3が存在すると硫酸カルシウムＣａＳＯ4を生成する。この硫酸カルシウムＣａＳＯ4は固体であって高温になっても熱分解しない。したがって硫酸カルシウムＣａＳＯ4が生成されるとこの硫酸カルシウムＣａＳＯ4によってパティキュレートフィルタ２２の細孔が閉塞されてしまい、その結果、排気ガスがパティキュレートフィルタ２２内を流れづらくなる。
【０１１７】
この場合、活性酸素放出剤６１としてカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いると活性酸素放出剤６１内に拡散するＳＯ3はカリウムＫと結合して硫酸カリウムＫ2ＳＯ4を形成し、カルシウムＣａはＳＯ3と結合することなくパティキュレートフィルタ２２の隔壁５４を通過して排気ガス流出通路５１内に流出する。したがってパティキュレートフィルタ２２の細孔が目詰まりすることがなくなる。したがって前述したように活性酸素放出剤６１としてはカルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂ、バリウムＢａ、ストロンチウムＳｒを用いることが好ましいことになる。
【０１１８】
また本発明はパティキュレートフィルタ２２の両側面上に形成された担体の層上に白金Ｐｔのような貴金属のみを担持した場合にも適用することができる。ただしこの場合には酸化除去可能微粒子量Ｇを示す実線は図８に示す実線に比べて若干、右側に移動する。この場合には白金Ｐｔの表面上に保持されるＮＯ2またはＳＯ3から活性酸素が放出される。
【０１１９】
また活性酸素放出剤としてＮＯ2またはＳＯ3を吸着保持し、これら吸着されたＮＯ2またはＳＯ3から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
【０１２０】
【発明の効果】
本発明によればパティキュレートフィルタの通路は隔壁の端部分が寄せ集められてこの端部分同志が部分的に接続されることによりその流路断面積が小さくされている。このように通路の端部が寄せ集められた隔壁の端部分により画成されていることにより排気ガスは乱流を生じることなく通路内に流入し、或いは通路から流出するのでパティキュレートフィルタの圧損は低い。
【０１２１】
さらに本発明によれば通路の端部には小孔が存在するのでパティキュレートフィルタ内に堆積している微粒子やアッシュの量が多くなるとパティキュレートフィルタに新たに到来する微粒子やアッシュはこの小孔を介してパティキュレートフィルタから排出される。したがってこのことからもパティキュレートフィルタの圧損は低い値に維持される。
【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示す図である。
【図２】本発明のパティキュレートフィルタの一部を示す図である。
【図３】従来のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図４】ハニカム構造体を示す図である。
【図５】型を示す図である。
【図６】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図７】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図８】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図９】第２実施例のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図１０】第３実施例のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図１１】本発明のパティキュレートフィルタを搭載した内燃機関を示す図である。
【図１２】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２２…パティキュレートフィルタ
５０，５１…排気流通路
５２，５３…テーパ壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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