(57)【要約】内燃機関の排気ガス中に含まれるススなどの含炭素浮遊微粒子を、耐熱性の濾材を用いて捕集する。捕集に際しては、排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物および含炭素浮遊微粒子が、濾材に分散された状態で捕集する。こうすれば、含炭素浮遊微粒子の可燃温度より低温の排気ガス中であっても、捕集された炭化水素系化合物と該排気ガス中の酸素との間で前駆的な酸化反応が開始される。こうして得られた反応熱や、反応によって生成した活性種を利用すれば、捕集した炭化水素系化合物と含炭素浮遊微粒子とを、フィルタに流入する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燃焼させることが可能となり、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を簡便且つ確実に浄化することができる。
2002025072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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フィルタにおいて、
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、前記フィルタに流入する温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用いて、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耐熱性濾材を備えることを特徴とする排気ガス浄化フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記捕集した炭化水素系化合物と前記排気ガス中の酸素との反応熱を利用して、前記捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させる濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項３】
請求項２記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記捕集した炭化水素系化合物と前記排気ガス中の酸素との反応熱に加えて、該反応により生じる活性種を利用して、前記捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させる濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項４】
請求項１記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を該濾材の内部で捕集する濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項５】
請求項４記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記内燃機関から排出される前記排気ガスの圧力変動を利用して、前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を分散して捕集する濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項６】
請求項１記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記内燃機関から排出される前記排気ガスの流動エネルギを熱に変換して、自身の温度を上昇させる濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項７】
請求項６記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記排気ガスが動圧で圧縮される際の温度上昇によって昇温する濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項８】
請求項１記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、該濾材内部で３次元的に連通し合い、該濾材表面に開口する複数の通路を内包している排気ガス浄化フィルタ。
【請求項９】
前記耐熱性濾材が、前記内包する通路の平均内径が略１１μｍないし略１３μｍのいずれかの値を有する濾材である請求項８記載の排気ガス浄化フィルタ。
【請求項１０】
前記耐熱性濾材が、平均繊維径が略１５μｍないし略２０μｍの耐熱性繊維で構成された不織布である請求項９記載の排気ガス浄化フィルタ。
【請求項１１】
前記耐熱性濾材が、厚さが略０．４ｍｍないし略０．５ｍｍの不織布である請求項１０記載の排気ガス浄化フィルタ。
【請求項１２】
請求項８記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を捕集するに伴って、前記複数の通路を流れる前記排気ガスの流路が切り替わる濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項１３】
請求項１２記載の排気ガス浄化フィルタであって、
前記耐熱性濾材は、前記捕集に伴う圧力損失が、初期値の３倍ないし４倍に増加すると、前記複数の通路を流れる前記排気ガスの流路が切り替わる濾材である排気ガス浄化フィルタ。
【請求項１４】
燃焼室と、該燃焼室で発生する排気ガスを排出するための排気通路とを備える内燃機関に適用されて、該排気ガス中の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、
前記排気通路内に取り付けられて前記排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を捕集する排気ガス浄化フィルタを備え、
前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間に断熱部が設けられており、
前記排気ガス浄化フィルタは、
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、該フィルタに流入する温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用いて、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耐熱性濾材を備えることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の排気ガス浄化装置であって、
前記内燃機関は、複数の前記燃焼室と、各燃焼室からの排気ガスを少なくとも１つの通路に集合させる排気集合管とを備えるとともに、
前記排気ガス浄化フィルタが、前記排気集合管に設けられている排気ガス浄化装置。
【請求項１６】
請求項１４記載の排気ガス浄化装置であって、
前記断熱部は、前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間に形成された間隙である排気ガス浄化装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の排気ガス浄化装置であって、
前記断熱部は、一端が排気ガスの流路に開口しているとともに、前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間隔が、該開口部で狭くなっている間隙である排気ガス浄化装置。
【請求項１８】
請求項１６記載の排気ガス浄化装置であって、
前記断熱部は、一端が排気ガスの流路に開口しているとともに、前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との隔たりが１ｍｍ以下の間隙である排気ガス浄化装置。
【請求項１９】
前記排気ガス浄化フィルタが、断熱部材を介して前記排気通路に取り付けられている請求項１４記載の排気ガス浄化装置。
【請求項２０】
請求項１４記載の排気ガス浄化装置であって、
前記排気ガス浄化フィルタは、前記耐熱性濾材を収納する収納容器を備え、
前記収納容器には、前記燃焼室から排出された排気ガスを前記耐熱性濾材に導くガイド部が設けられている排気ガス浄化装置。
【請求項２１】
請求項１４記載の排気ガス浄化装置であって、
前記排気ガス浄化フィルタは、前記耐熱性濾材を収納する収納容器を備え、
前記耐熱性濾材は、該濾材の端部が前記燃焼室側に突出した状態で前記容器に収納されている排気ガス浄化装置。
【請求項２２】
請求項１４記載の排気ガス浄化装置であって、
前記内燃機関は、排気ガスの流動エネルギを用いてタービンを駆動することにより、該内燃機関の吸入空気を過給する過給器を備えており、
前記排気ガス浄化フィルタは、前記過給器のタービン側における通路抵抗の１／２ないし２／３の通路抵抗を有する排気ガス浄化装置。
【請求項２３】
複数の燃焼室を備えるとともに、各燃焼室の排気ガスを少なくとも１つの通路に集合させてから排出する内燃機関に適用されて、該排気ガス中の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、
前記排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を捕集する排気ガス浄化フィルタが、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おり、
前記排気ガス浄化フィルタは、
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、該フィルタに流入する温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用いて、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耐熱性濾材を備えることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２４】
請求項２３記載の排気ガス浄化装置であって、
前記内燃機関は、前記各燃焼室から排出される排気ガスを、該燃焼室２つ毎あるいは３つ毎に１つの通路に集合させてから排出する内燃機関であり、
前記排気ガス浄化フィルタは、前記２つあるいは３つの燃焼室からの排気ガスが集合する部分にそれぞれ設けられている排気ガス浄化装置。
【請求項２５】
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の浄化方法であって、
前記排気ガス中の炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、耐熱性の濾材を用いて該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集し、
前記フィルタ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ことによって、該含炭素浮遊微粒子を浄化することを特徴とする排気ガスの浄化方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の排気ガスの浄化方法であって、
前記排気ガス中に酸素を供給することにより、前記捕集した炭化水素系化合物あるいは含炭素浮遊微粒子の少なくともいずれかと、酸素との反応を促進させる排気ガスの浄化方法。
【請求項２７】
請求項２５記載の排気ガスの浄化方法であって、
前記排気ガス中の窒素酸化物を浄化するＮＯｘ浄化触媒を前記耐熱性の濾材の下流に配置して、前記排気ガスを浄化する浄化方法。
【請求項２８】
請求項２７記載の排気ガスの浄化方法であって、
前記ＮＯｘ浄化触媒として、前記排気ガス中に酸素が過剰に存在する条件下では前記窒素酸化物を吸蔵し、該排気ガス中の酸素濃度が低下すると該吸蔵した窒素酸化物を還元することによって該排気ガス中の窒素酸化物を浄化する触媒を配置する排気ガスの浄化方法。
【請求項２９】
燃焼室と、該燃焼室で発生する排気ガスを排出するための排気通路とを備える内燃機関に適用されて、該排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガスの浄化方法において、
耐熱性濾材を備える排気ガス浄化フィルタを、前記排気通路との間に断熱部が設けられた状態で該排気通路内に設け、
前記耐熱性濾材を用いて、前記排気ガス中の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し、
前記排気ガス浄化フィルタ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ことによって、該含炭素浮遊微粒子を浄化することを特徴とする排気ガスの浄化方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、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技術に関する。
背景技術
いわゆるディーゼルエンジンの排気ガス中には、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エンジンからも、運転条件によっては、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り、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技術が提案されている。
かかる浮遊微粒子は炭素を主成分とするにもかかわらず、酸素を含む排気ガス中で５５０℃以上の高温にさらさなければ燃焼しないと言われている。ディーゼルエンジンや筒内噴射ガソリンエンジンなどの内燃機関を通常の条件で運転する限り、フィルタに流入する排気ガス温度が５５０℃を越えることは稀である。このため、捕集した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しまい、機関出力の低下といった種々の弊害を引き起こすおそれがある。
フィルタで捕集した含炭素浮遊微粒子を処理する方法としては種々の技術が開発されているが、簡便に処理可能な方法として、例えば、フィルタに白金などの貴金属触媒を担持しておき、捕集した浮遊微粒子を、触媒作用を利用して比較的低温の排気ガス中で燃焼させる技術が提案されている（特公平７−１０６２９０号）。あるいは、排気ガスの温度を意図的に上昇させることにより、捕集した含炭素浮遊微粒子をフィルタ上で燃焼させる技術も提案されている（特開２０００−１６１０４４号）。排気ガスの温度を上昇させる手法としては、内燃機関の吸気通路に開閉バルブを設けておき、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、種々の手法を適用することができる。
しかし、これら手法には次のような問題がある。すなわち、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。もちろん、担持する貴金属の量を増加させれば触媒の劣化を抑制することができるが、貴重な貴金属の担持量を増加させることは好ましいことではない。
また、排気ガスの温度を意図的に上昇させる手法は、いずれも、燃料の化学エネルギを内燃機関の出力に変換することなく、熱として排出してしまうことに他ならず、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。
本発明は従来技術における上述の課題を解決するために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、簡便に、しかも長期間にわたる使用においても確実に処理可能な技術を提供することを目的とする。
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、本発明の排気ガス浄化フィルタは次の構成を採用した。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フィルタであって、
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、前記フィルタに流入する温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用いて、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耐熱性濾材を備えることを特徴とする。
また、上記の排気ガス浄化フィルタに対応する本発明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の浄化方法であって、
前記排気ガス中の炭化水素系化合物および前記含炭素浮遊微粒子を、耐熱性の濾材を用いて該排気ガス中の酸素と接触可能に分散して捕集し、
前記フィルタ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ことによって、該含炭素浮遊微粒子を浄化することを特徴とする。
かかる排気ガス浄化フィルタおよび排気ガスの浄化方法においては、内燃機関から排気ガスとともに排出される含炭素浮遊微粒子を、排気ガス中の炭化水素系化合物とともに、耐熱性の濾材を用いて捕集する。ここで含炭素浮遊微粒子とは、ススなどのような炭素を含有する微粒子であり、炭化水素系化合物とは、燃料や潤滑油に起因する未燃の有機化合物である。これら含炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物は濾材に分散して捕集されており、捕集されたうちの多くは排気ガス中に含まれている酸素と接触可能な状態にある。このため、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、捕集された炭化水素系化合物と排気ガス中の酸素との間で穏やかな発熱反応が進行し、ついには捕集された炭化水素系化合物および含炭素浮遊微粒子を燃焼させることができる。その結果、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を、長期にわたって確実かつ簡便に浄化することが可能となる。
本発明は、以下に説明するような特異な現象を見い出すことによって完成されたものである。そこで、本発明の作用および効果を、より明確に説明するために、発明者らの見い出した特異な現象について、以下に簡単に説明する。
図２７は、発明者らの見い出した特異な現象を概念的に示した説明図である。図２７（ａ）は、実験装置を概念的に示したものであり、内燃機関Ａ（代表的にはディーゼルエンジン）の排気管中に、フィルタＥが装着されている様子を示している。内燃機関Ａは、吸気管Ｂから空気を吸入して、燃焼室Ｃの内部で燃料を燃やし、排気ガスを排気管Ｄから排出する。排気ガス中には、ススなどの含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が含まれており、これらは排気管Ｄに設けたフィルタＥで捕集される。フィルタＥについては後ほど詳細に説明するが、フィルタＥ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可能である。また、フィルタＥに流入する排気ガス温度ＴｇおよびフィルタＥの温度Ｔｆ、フィルタＥの前後の差圧ΔＰを計測している。
図２７（ｂ）は、排気管Ｄに新品のフィルタＥを装着し、内燃機関Ａを一定条件で運転しながら、フィルタ前後の差圧ΔＰ、およびフィルタ上流での排気ガス温度Ｔｇ、フィルタ温度Ｔｆの推移を示したものである。内燃機関Ａの運転を開始すると、室温を示していた排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆ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Ｔｆは排気ガス温度Ｔｇよりも高い値となる。排気ガスが通過する際にフィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇより高くなる現象も発明者らが新たに見出した現象であるが、この現象については後ほど詳しく説明するとして、ここでは説明を簡明にする観点から、フィルタ温度Ｔｆと排気ガス温度Ｔｇとには有意な差は無いものとして説明する。運転開始後に、排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆが達する定常温度は、内燃機関Ａの運転条件など種々の要因に影響されるが、代表的には２５０℃〜３５０℃前後である。
温度が定常状態に達した後も、フィルタ前後の差圧は次第に増加していくが、図２７（ｂ）に示すように、やがて一定値となって安定する。差圧が安定する値は主にフィルタの設計緒元によって変化するが、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、内燃機関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、そのまま内燃機関を運転していると、フィルタに流入する排気ガス温度Ｔｇは変化しないにも関わらず、フィルタ温度Ｔｆが少しずつ上昇し始める。機関の運転継続とともにフィルタ温度Ｔｆと排気ガス温度Ｔｇとの乖離は次第に大きくなり、ついにはフィルタ温度Ｔｆが５５０℃前後に達する。この間、ススなどの含炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物がフィルタＥで捕集されることに伴って、フィルタ前後の差圧ΔＰは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Ｔｆが上昇して５５０℃付近に達すると、フィルタＥに捕集されたススなどが燃焼し始める。フィルタ温度Ｔｆはしばらくの間は５５０℃以上になるものの、速やかに排気ガス温度Ｔｇ付近の温度に低下する。このことから、ススなどの燃焼は比較的短時間で終了すると思われる。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ΔＰの増加を検出可能な場合には、フィルタＥで捕集したススなどが燃焼することによる差圧ΔＰの低下を検出することができる。説明の便宜上、第１期が終了した後に、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇから次第に乖離していき、再び排気ガス温度Ｔｇ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２７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Ｅに捕集されたススなどが燃焼し終わって、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇ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Ｔｆが上昇し始め、やがて５５０℃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Ｅ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。
図２７（ｃ）は、図２７（ｂ）の条件に対し、フィルタＥに流入する排気ガス温度が若干（代表的には５０℃程度）高くなるように内燃機関Ａの運転条件を変更して、フィルタ温度Ｔｆおよびフィルタ前後での差圧ΔＰ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２７（ｂ）の条件に対してスス濃度あるいは炭化水素系化合物の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。
図２７（ｃ）に示すように、フィルタＥに流入する排気ガス温度が若干高い場合にも、第２期においてフィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇから次第に乖離していき、ついにはフィルタ温度Ｔｆが５５０℃に達して、捕集されているススが燃焼し始める。図２７（ｃ）の条件では、図２７（ｂ）の条件よりもフィルタＥに流入する排気ガス温度Ｔｇが若干高い分だけ、フィルタ温度Ｔｆが５５０℃に早く到達する。図２７（ｃ）の条件においても、捕集したススの燃焼は比較的短期間で終了してフィルタ温度Ｔｆが低下するが、図２７（ｂ）の場合とは異なり、排気ガス温度Ｔｇよりは高い温度で安定する。ここでは、第２期の終了後、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇ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期における排気ガス温度Ｔｇとフィルタ温度Ｔｆとの温度差は、内燃機関Ａの運転条件によって異なる値を取るようである。第３期に起きている現象については、必ずしも未だ明確ではないが、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２７（ｃ）に示すように、第３期においてはフィルタ前後の差圧ΔＰは、ほぼ一定値に保たれている。
以上に説明したように、本願の発明者らは、内燃機関の排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を、排気ガス中の炭化水素系化合物とともに、排気ガス中の酸素と接触可能に濾材に分散して捕集することによって、フィルタに流入する温度が含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用いて、捕集した微粒子が燃焼する現象を見い出した。より詳しい試験内容や、低温の排気ガスを用いて含炭素浮遊微粒子を燃焼させることを可能とする推定メカニズムについては、後ほど詳しく説明する。
本発明の排気ガス浄化フィルタおよび排気ガスの浄化方法においては、濾材に捕集した含炭素浮遊微粒子を、かかる現象を利用して燃焼させることができる。このため、捕集した含炭素浮遊微粒子を触媒を用いて燃焼させる方法や、意図的に排気ガス温度を上昇させて燃焼させる方法などのように、長期間使用しているとフィルタが目詰まりしたり、あるいは機関性能の低下を引き起こすといった問題を生じることなく、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を、確実かつ簡便に浄化することができる。尚、本発明の排気ガス浄化フィルタの有する機能、すなわち捕集した含炭素浮遊微粒子を上述した現象を用いて燃焼させる機能を、本明細暑中では、場合に応じて「自然再生機能」と呼ぶものとする。
かかる排気ガス浄化フィルタにおいては、前記耐熱性の濾材によって捕集された炭化水素系化合物と前記排気ガス中の酸素との反応熱を利用して、前記捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることとしてもよい。炭化水素系化合物は、含炭素浮遊微粒子が燃焼しない低温の排気ガス中でも酸素と反応し始めるので、炭化水素系化合物と酸素との反応熱によって前記耐熱性濾材の温度を上昇させれば、フィルタに流入する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、捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることが可能となる。
こうした排気ガス浄化フィルタにおいては、前記捕集した炭化水素系化合物と前記排気ガス中の酸素との反応熱に加えて、該反応により生じる活性種を利用して、前記捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることとしてもよい。通常、こうした活性種が存在していると酸化反応が促進される傾向にある。従って、前記捕集した炭化水素系化合物と酸素との反応熱によって前記耐熱性濾材の温度を上昇させ、更にかかる反応によって生じた活性種を利用することで、捕集した含炭素浮遊微粒子を確実に燃焼させることが可能となるので好ましい。
上記の排気ガス浄化フィルタにおいては、前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を、前記耐熱性濾材の内部で捕集することとしてもよい。前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を、前記濾材の主に表面で捕集する場合にはこれらを分散して捕集することは容易ではないが、濾材の内部で捕集することとすれば、容易に分散したまま捕集することができるので好適である。
前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を、前記濾材内部で捕集する上記の排気ガス浄化フィルタにおいては、前記内燃機関から排出される前記排気ガスの圧力変動を利用して、該含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を分散した状態で捕集することとしてもよい。含炭素浮遊微粒子あるいは炭化水素系化合物に排気ガスの圧力変動を作用させれば、前記耐熱性濾材に捕集される前記含炭素浮遊微粒子や前記炭化水素系化合物を、容易に分散して捕集することが可能となる。
上記の排気ガス浄化フィルタにおいては、前記内燃機関から排出される前記排気ガスの流動エネルギを、前記耐熱性濾材で熱に変換することにより、該濾材の温度を上昇させることとしてもよい。こうして濾材の温度を上昇させれば、フィルタに流入する排気ガスの温度が前記含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温であっても、該捕集した含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を、より容易に燃焼させることが可能となるので好適である。
かかる排気ガス浄化フィルタにおいては、前記排気ガスが前記耐熱性濾材を通過する際に、該排気ガスが動圧によって圧縮されることによる排気ガスの温度上昇を利用して、該濾材の温度を上昇させることとしても良い。こうして排気ガスの動圧を利用すれば、前記耐熱性濾材の温度を簡便に上昇させることができ、延いては、捕集した含炭素浮遊微粒子を確実に燃焼させることが可能となる。
上述の排気ガス浄化フィルタにおいては、前記耐熱性濾材として、該濾材の内部で３次元的に連通し合い且つ、該濾材の表面に開口する複数の通路を有する濾材を用いても良い。前記耐熱性濾材として、内部にこのような複数の通路を有する濾材を用いれば、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を、該濾材の内部に分散して捕集することができるので好ましい。
こうした耐熱性濾材としては、濾材内部に形成された複数の通路の平均内径が、略１１μｍ以上で且つ、略１３μｍ以下の範囲にある濾材を用いてもよい。
濾材内部に形成された通路の平均内径が１１μｍより小さくなると、排気ガスが流入する側の濾材表面が目詰まりし易くなる。逆に、平均内径が１３μｍより大きくなると、排気ガスが流出する側の濾材表面が目詰まりし易くなる。従って、濾材内部に形成された通路の平均内径を、略１１μｍ〜略１３μｍの範囲とすれば、濾材を目詰まりさせることなく、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を濾材内部に分散した状態で捕集することができる。尚、本明細書中で言う平均内径の値は、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５０％となる細孔径を平均内径としている。周知の異なる計測方法を用いて計測した場合は、平均内径の数値自体は変動し得ることは言うまでもない。
また、耐熱性濾材として、耐熱性繊維で構成された不織布を用いる場合には、平均繊維径が略１５μｍ以上で且つ、略２０μｍ以下の耐熱性繊維で構成された不織布を用いることとしても良い。不織布の内部に形成される通路の平均内径と不織布を構成する繊維の平均径とには、経験上、さほど明確ではないにせよ相関関係が認められる。従って、平均繊維径が略１５μｍないし略２０μｍの繊維を用いると、容易に平均内径が略１１μｍないし略１３μｍの不織布を得ることができるので好ましい。また、不織布内部に形成される通路の平均内径が大きくなると、それに伴って繊維密度（単位体積あたりの不織布中に存在する繊維の本数）が小さくなる傾向にある。従って、これによる不織布強度の低下を補う意味からも、平均内径が略１１μｍないし略１３μｍの不織布であれば、平均繊維径が略１５μｍないし略２０μｍの耐熱性繊維を用いて形成することが好ましい。
加えて、かかる耐熱性濾材として不織布を用いる場合には、厚さが略０．３ｍｍないし略１．０ｍｍ、より好ましくは略０．４ｍｍないし略０．５ｍｍの不織布を用いることとしても良い。不織布の厚さが薄いと強度が不足して破損し易くなる。かといって不織布があまりに厚いと不織布を折り曲げ難くなるので、排気ガス浄化フィルタを作成することが困難となり、いきおいフィルタの大きさが大きくなってしまう。従って、耐熱性濾材として、厚さが略０．３ｍｍないし略１．０ｍｍ、より好ましくは略０．４ｍｍないし略０．５ｍｍの不織布を用いれば、濾材の強度を実用上十分な強度に確保しながら、排気ガス浄化フィルタをコンパクトで製造の容易なものとすることができるので好ましい。
内部で３次元的に連通し合う複数の通路を内包する濾材を用いた排気ガス浄化フィルタにおいては、前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を捕集するに伴って、該複数の通路を流れる排気ガスの流路が切り替わるような耐熱性濾材を用いてもよい。こうして排気ガスの流路を切り換えながら前記含炭素浮遊微粒子および前記炭化水素系化合物を捕集すれば、これらを耐熱性濾材内部に分散して捕集することができる。加えて、捕集するに伴って排気ガスの流路が新たな流路に切り替われば、排気ガスが濾材を通過する際の圧力損失の増加を抑制することが可能となるので好ましい。
こうした排気ガス浄化フィルタにおいては、前記耐熱性濾材における圧力損失が、初期値の３倍ないし４倍に増加すると、前記通路を流れる前記排気ガスの流路の切り替えが始まるような濾材を使用してもよい。排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が濾材に捕集されて、圧力損失が初期値の３倍ないし４倍まで増加すると、その後は圧力損失の増加割合が大きくなる傾向にある。従って、圧力損失が初期値の３倍ないし４倍になった時点で、濾材内部を通過する排気ガスの通路が切り替われば、圧力損失の増加を抑制することが可能となるので好適である。
また、上述した排気ガスの浄化方法においては、前記耐熱性濾材の上流から排気ガス中に酸素を供給することとしてもよい。こうして排気ガス中に酸素を供給すれば、濾材に捕集された炭化水素系化合物と酸素との反応を促進したり、あるいは捕集された含炭素浮遊微粒子と酸素との燃焼を促進することができるので好ましい。
かかる排気ガスの浄化方法においては、前記排気ガス中の窒素酸化物を浄化するＮＯｘ浄化触媒を、前記耐熱性濾材の下流に配置してもよい。こうすれば、該排気ガス中の含炭素浮遊微粒子と窒素酸化物とを浄化することができるので好ましい。
かかる排気ガスの浄化方法においては、前記ＮＯｘ浄化触媒として、前記排気ガス中に酸素が過剰に存在する条件下では前記窒素酸化物を吸蔵し、該排気ガス中の酸素濃度が低下すると該吸蔵した窒素酸化物を還元する触媒を配置してもよい。このように排気ガス中の窒素酸化物を一旦吸蔵してから還元するＮＯｘ浄化触媒は、排気ガスの窒素酸化物を効率よく浄化することが可能であり、延いては、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子と窒素酸化物とを効率よく浄化することが可能となって好ましい。
また、本発明は上述した排気ガス浄化フィルタとしての態様に限らず、例えば、上述した排気ガス浄化フィルタを適用した排気ガス浄化装置として把握することも可能である。こうした本発明の排気ガス浄化装置は、
燃焼室と、該燃焼室で発生する排気ガスを排出するための排気通路とを備える内燃機関に適用されて、該排気ガス中の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、
前記排気通路内に取り付けられて前記排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を捕集する排気ガス浄化フィルタを備え、
前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間には断熱部が設けられており、
前記排気ガス浄化フィルタは、
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、該フィルタに流入する温度が該含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温である排気ガスを用いて、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耐熱性濾材を備えることを特徴とする。
また、かかる排気ガス増加装置に対応する本発明の排気ガス浄化方法は、
燃焼室と、該燃焼室で発生する排気ガスを排出するための排気通路とを備える内燃機関に適用されて、該排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を浄化する排気ガスの浄化方法において、
耐熱性濾材を備える排気ガス浄化フィルタを、前記排気通路との間に断熱部が設けられた状態で該排気通路内に設け、
前記耐熱性濾材を用いて、前記排気ガス中の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し、
前記排気ガス浄化フィルタ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ことによって、該含炭素浮遊微粒子を浄化することを特徴とする。
かかる本発明の排気ガス浄化装置および該排気ガス浄化装置に対応する排気ガス浄化方法においては、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て捕集するフィルタが排気通路に設けられており、該排気ガス浄化フィルタと該排気通路との間に断熱部が形成されている。後述するように、本願の発明者らは、こうした排気ガス浄化フィルタでは、排気ガスが通過する際にフィルタ温度が上昇する現象を新たに見出した。このことから、排気ガス浄化フィルタと排気通路との間に断熱部を形成して排気通路に流出する熱を遮れば、排気ガス浄化フィルタの温度を効率よく上昇させることができる。こうしてフィルタの温度を効率よく上昇させることができれば、フィルタ上に捕集した含炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物を簡便に且つ確実に燃焼させることが可能となる。
ここで、排気ガスが、上述した排気ガス浄化フィルタを通過する際にフィルタ温度が上昇する現象について、図２８を参照しながら説明する。図２８（ａ）は、実験装置を概念的に示したものである。前述した図２７と同様に、内燃機関Ａ（代表的にはディーゼルエンジン）の排気管中にフィルタＥが装着されており、フィルタＥに流入する排気ガスの温度Ｔｇ、およびフィルタの温度Ｔｆが計測可能となっている。
かかる装置において、内燃機関Ａの運転条件を変更しながら、フィルタに流入する排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆを計測したところ、フィルタ温度Ｔｆは排気ガス温度Ｔｇよりも常に高い値を示すことが見い出された。そこで、排気ガス流量などの他の要因はできるだけ一定に保ったまま排気ガス温度を変更し、入口排気ガス温度Ｔｇおよびフィルタ温度Ｔｆの上昇量ｄＴ（＝Ｔｆ−Ｔｇ）を計測して整理したところ、図２８（ｂ）に示す結果が得られた。
図２８（ｂ）に示されているように、フィルタ温度の上昇量ｄＴは、入口排気ガス温度Ｔｇの上昇とともにほぼ直線的に増加する傾向を示している。このような結果から、フィルタ温度Ｔｆが入口排気ガス温度Ｔｇよりも高くなる現象は、次のようなメカニズムによるものであると推測される。
すなわち、フィルタＥには通路抵抗が存在するため、大きな流速を有する排気ガスがフィルタＥを通過しようとすると、フィルタＥに遮られて排気ガスの速度の一部が圧力に変換される。こうして生じた圧力上昇をｄＰとする。熱力学の教えるところによれば、圧力Ｐ，温度Ｔ，比容積ｖの３つの変数は、気体定数をＲとすると、
Ｐ・ｖ＝Ｒ・Ｔ　…（１）
の関係を常に満たしている。従って、排気ガスの流れがフィルタＥで遮られることによって圧力ＰがｄＰだけ上昇すると、（１）式を満足するように排気ガス温度もｄＴだけ上昇する。すなわち、フィルタ温度Ｔｆが排気ガス温度Ｔｇよりも常に高い値を示す現象のメカニズムとして、排気ガスが動圧によってフィルタで圧縮され、それに伴ってガス温度が上昇し、この排気ガスによってフィルタが暖められるために、フィルタの温度Ｔｆが、入口ガス温度Ｔｇよりも常に高くなっているものと考えられる。
かかるメカニズムの妥当性を確認するために、図２８（ｂ）の計測結果に基づいて、次のような検討を行った。フィルタＥの入口部での排気ガス圧力をＰｇとすれば、入口部での排気ガス温度はＴｇであるから（１）式より、
Ｐｇ・ｖ＝Ｒ・Ｔｇ　…（２）
が成り立つ。また、排気ガスがフィルタＥで遮られることによって、圧力と温度とがそれぞれｄＰ、ｄＴ上昇したとすると、（１）式から
（Ｐｇ＋ｄＰ）・ｖ＝Ｒ・（Ｔｇ＋ｄＴ）　…（３）
が成り立つ。（２）式，（３）式を整理すれば、
ｄＴ＝（Ｔｇ・ｄＰ）／Ｐｇ　…（４）
を得ることができる。（４）式によれば、フィルタＥでの温度上昇量ｄＴはフィルタに流入する排気ガス温度Ｔｇに比例するはずであり、かかる結果は図２８（ｂ）に示した計測結果と一致している。すなわち、図２８（ｂ）の計測結果は、推定された上述のメカニズムの妥当性を裏付けており、フィルタ温度Ｔｆがフィルタ入口での排気ガス温度Ｔｇよりも常に高くなっている現象は、内燃機関から排出される排気ガスがフィルタを通過する際に、排気ガスが圧縮されて排気ガス温度が上昇していることによると考えられる。
かかる温度上昇量ｄＴは、（４）式から明らかなように、排気ガス温度Ｔｇが高いほど大きくなる。また、フィルタに流入する排気ガス流速が大きくなれば、それだけ圧力上昇ｄＰも大きくなるので、フィルタの温度上昇量ｄＴも大きくなる。一般に、内燃機関から排出される排気ガスは、排気管内を通過するにつれて温度が低下していく。また、流速についても、内燃機関から排出される際には排気ガスは一度に噴き出されるので、パルス状の大きな流速を有する流れとなっているが、排気管内を通過するに従ってパルス状の流れが平均化されて、流速も低下していく。従って、フィルタを設ける位置は、内燃機関に近ければ近いほど排気ガスの温度および流速が増加するので、フィルタの温度上昇量ｄＴが大きくなって好ましいと考えられる。
このような知見に基づいて、本発明の排気ガス浄化装置および該排気ガス浄化装置に対応する排気ガス浄化方法では、排気通路内に設けた排気ガス浄化フィルタと、該排気通路との間に断熱部を形成して、フィルタから排気通路に向かう熱の流れを遮ってやる。こうすれば、排気ガス浄化フィルタの温度を効率よく上昇させ、フィルタ上に捕集した含炭素浮遊微粒子および炭化水素系化合物を簡便に且つ確実に燃焼させることが可能となる。
また、複数の前記燃焼室と、各燃焼室からの排気ガスを少なくとも１つの通路に集合させる排気集合管とを備える内燃機関に、こうした排気ガス浄化装置を適用する場合には、前記排気ガス浄化フィルタを、該排気集合管に設けることとしてもよい。こうすれば、該排気ガス浄化フィルタを燃焼室に近づけて搭載することができ、その分だけフィルタには高温の排気ガスが高い流速で流入することになるので、排気ガス浄化フィルタの温度を効果的に上昇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、前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間に間隙を設け、かかる間隙を断熱部とすることもできる。すなわち、こうして間隙を設ければ、ここに空気層が形成され、あるいは排気ガスが流入して排気ガス層が形成されるので、フィルタと排気通路とを効果的に断熱することができるので好適である。
こうした排気ガス浄化装置においては、前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間に形成された間隙の一端を排気ガスの流路に開口させるとともに、該開口部で、間隙が狭くなるようにしてもよい。こうすれば、排気ガスの流路に開口した部分から間隙に排気ガスが流入するので、内燃機関の始動直後に高温の排気ガスでフィルタを暖めて、フィルタ温度を速やかに上昇させることができる。また、排気ガスは、狭くなった開口部で一旦絞られてから間隙に流入するので、排気ガスが間隙に勢い良く流入して、間隙内部の排気ガスが流動することがない。このため、フィルタ温度が排気ガス温度よりも高くなった時に、排気ガスの流動に媒介されてフィルタから排気通路に熱が流出することがなく、それだけフィルタと排気通路とを効果的に断熱することができるので好適である。
更に、かかる排気ガス浄化装置においては、前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間に設けられた間隙を、１ｍｍ以下の厚さの間隙とするとともに、該間隙に一端を排気ガスの流路に開口させて、前記断熱部を構成しても良い。前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との隔たりが１ｍｍ以下の小さな値となると、間隙内部で排気ガスが強く流動することはない。従って、間隙の厚さを１ｍｍ以下とすれば、前記内燃機関の始動時には、前記開口部から排気ガスが流入してフィルタ温度を速やかに上昇させることが可能であり、また、フィルタ温度が高くなった場合にも、該間隙内部で排気ガスが流動して排気ガス浄化フィルタから排気通路に熱が流出することを抑制することができるので好適である。
また、かかる排気ガス浄化装置においては、断熱部材を介して前記排気ガス浄化フィルタを前記排気通路に取り付けることとしても良い。前記排気ガス浄化フィルタと前記排気通路との間に断熱部を設けるとともに、断熱部材を介して該フィルタを取り付ければ、該フィルタの取り付け部分から該排気通路に熱が流出することを抑制することができる。それだけ排気ガス浄化フィルタを効果的に断熱することができ、延いてはフィルタ温度を高温に維持することが可能となって好ましい。
こうした排気ガス浄化装置においては、排気ガス中の浮遊微粒子を捕集する耐熱性濾材と該濾材を収納する収納容器とで前記排気ガス浄化フィルタを構成するとともに、前記燃焼室から排出された排気ガスを該濾材に導くガイド部を、該収納容器に設けることとしても良い。ガイド部を用いて排気ガスを耐熱性濾材に導いてやれば、該濾材で大きな動圧を発生させて、フィルタ温度を効果的に上昇させることができる。また、該ガイド部が濾材の収納容器に設けられているので、排気ガスが該ガイド部に衝突して排気ガスの有する熱の一部が流出したとしても、流出した熱は結局は排気ガス浄化フィルタの昇温に利用されることとなり、それだけ効率的にフィルタ温度を上昇させることができる。
あるいは、耐熱性濾材と該濾材を収納する収納容器とで前記排気ガス浄化フィルタを構成するとともに、該濾材を、端部が前記燃焼室側に突出した状態で収納することとしてもよい。こうすれば、前記耐熱性濾材の端部では、排気ガスの動圧によって生じた熱が前記収納容器に伝わることなく端部の温度を直ちに上昇させるので、それだけ濾材の温度を速やかに上昇させることが可能となって好適である。
排気ガスの流動エネルギを用いてタービンを駆動することによって吸入空気を過給する過給器を備えた内燃機関に、かかる排気ガス浄化装置を適用する場合には、前記排気ガス浄化フィルタの通路抵抗を、該過給器のタービン側の通路抵抗の１／２ないし２／３の通路抵抗に設定しても良い。前記排気ガス浄化フィルタの通路抵抗が、前記過給器のタービン側の通気抵抗の１／２ないし２／３の範囲となるように設定してあれば、フィルタ上に含炭素浮遊微粒子などが堆積してフィルタの通路抵抗が多少増加しても、排気ガスを放出するための通路抵抗は、もっぱら過給器のタービン側の通路抵抗によって決まるため、全体としての通路抵抗が増加することがないので好ましい。
また、内燃機関が複数の燃焼室を備えており、各燃焼室で発生する排気ガスを少なくとも１つの通路に集合させてから排出している場合には、各燃焼室からの排気通路が集合する部分に、前記排気ガス浄化フィルタを設けることとしてもよい。こうして、複数の燃焼室からの排気通路が集合する部分に前記排気ガス浄化フィルタを設ければ、個々の燃焼室ごとにフィルタを設けずに済むので、排気ガス浄化フィルタの個数を少なくすることができる。また、排気通路の集合部分は、排気ガス浄化フィルタを搭載するための空間を比較的確保し易くなっていることから、個々の燃焼室ごとにフィルタを設ける場合に比べてフィルタ形状の自由度が増大しており、フィルタ形状をより最適な形状とすることができるので好ましい。
尚、前記排気ガス浄化フィルタはすべての燃焼室の排気通路が集合する部分に設けてもよいが、燃焼室２つずつあるいは３つずつごとに排気通路を一旦集合させ、こうして形成した各集合部分に、前記排気ガス浄化フィルタを設けることがより好ましい。すべての排気通路を集合させて、この集合部分に前記排気ガス浄化フィルタを設けようとすると、いきおい、燃焼室からの距離が遠くなって流入する排気ガスの温度が低くなりがちである。これに対して、燃焼室２つずつあるいは３つずつであれば燃焼室の近くで集合させることも容易であり、かかる集合部分に排気ガス浄化フィルタを設ければ、フィルタに流入するまでに排気ガス温度が低下することを避けることができる。その結果、排気ガスの動圧によって排気ガス浄化フィルタを昇温させる効果を、更に大きくすることができるので好ましい。
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．装置構成：
Ａ−１．全体システムの概要：
Ａ−２．パティキュレートフィルタの構造：
Ａ−３．パティキュレートフィルタの取付構造：
Ｂ．実験結果：
Ｂ−１．エンジン台上試験結果：
Ｂ−２．実車による試験結果：
Ｂ−３．自然再生機能の推定メカニズム：
Ｂ−４．捕集モデル：
Ｂ−５．不織布の望ましい諸元範囲：
Ｃ．変形例：
Ａ．装置構成：
以下、本発明の排気ガス浄化フィルタ（以下、パティキュレートフィルタ）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して燃焼させ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、車両や船舶搭載用や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．全体システムの概要：
図１は、本実施例のパティキュレートフィルタを装着したディーゼルエンジン１０の概略構成を示した説明図である。ディーゼルエンジン１０は、いわゆる４気筒エンジンであり、＃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１２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１４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して、排気マニホールド１６を経由して排気管１７から排気ガスが排出される。
排気管１７の途中には、過給器２０が設けられている。過給器２０は、排気管１７内に設けられたタービン２１と、吸気管１２内に設けられたコンプレッサ２２と、タービン２１とコンプレッサ２２とをつなぐシャフト２３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２０のタービン２１を回すと、シャフト２３を介してコンプレッサ２２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２２の上流側にはエアクリーナ２６が設けられており、コンプレッサ２２はエアクリーナ２６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２２の下流には、空気を冷却するためのインタークーラ２４が設けられている。コンプレッサ２２で圧縮すると空気の温度が上昇するので、圧縮した空気をインタークーラ２４で冷却した後に、燃焼室内に供給することも可能である。パティキュレートフィルタ１００は、＃１ないし＃４の各燃焼室毎に、タービン２１の上流側に設けられている。エンジンを制御するためのコントロールユニット（以下、制御用ＥＣＵ）３０は、機関回転速度や、アクセル開度などの要求出力トルクに関する情報を取り込むと、これら情報に基づいて、燃料噴射弁１４や燃料供給ポンプ１８、その他の図示しない各種アクチュエータを制御することによって、ディーゼルエンジンの運転条件を適切に制御する。
Ａ−２．パティキュレートフィルタの構造：
図２は、本実施例のパティキュレートフィルタ１００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１００は、フランジのついた円筒状のケース１０２と、ケース１０２内に挿入されて外周をケースに溶接されたエレメント１０４とから構成されている。エレメント１０４は、耐熱金属製の不織布１０６と同じく耐熱金属製の波板１０８とを重ねて、中心棒１１０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１００で用いるエレメント１０４は、外径が約５５ｍｍ、長さが約４０ｍｍ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通路の内径などにあわせて、適宜変更することができる。
図３は、中心棒１１０を芯にして、不織布１０６と波板１０８とを重ねてロール状に巻き付ける様子を概念的に示した説明図である。こうして巻き取られた不織布１０６同士の間隔は、波板１０８によって所定の間隔に保たれており、不織布１０６と波板１０８との間には、中心棒１１０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１０４の両側には、封止板１１２が溶接されている。封止板１１２は、不織布１０６と波板１０８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１０６を通過する構造を形成する。図４を参照して、封止板１１２により排気ガスが不織布１０６を通過する構造が形成される様子を説明する。
図４は、パティキュレートフィルタ１００の断面構造を概念的に示す説明図である。尚、図４では、波板１０８は表示を省略している。図示するように、封止板１１２は、所定の間隔に保たれて隣接する不織布１０６の間に形成される通路を互い違いに閉塞する。このため、図４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１１２で塞がれていない通路に一旦は流入するが、通路の出口側は封止板１１２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１０６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１０６を抜ける際に、排気ガス中に含まれているススなどの含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が不織布１０６によって捕集される
不織布１０６は、鉄系の耐熱合金製の金属不織布を用いて形成されている。本実施例のパティキュレートフィルタ１００では、不織布１０６として、所定範囲の諸元を有する金属製不織布を用いており、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。不織布諸元による影響については、後ほど詳しく説明するが、ここでは一例として、不織布１０６の諸元を図５に示しておく。もちろん、図５に示す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、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製の金属不織布を用いているが、Ｎｉ系合金などの周知な他の耐熱性の金属不織布や、あるいは炭化珪素繊維などのセラミック繊維の不織布を用いても構わない。
図５に例示するような所定諸元の不織布を使用することで、排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て捕集することができるメカニズムについては、明確に解明されたわけではない。しかし、後述する推定メカニズムによれば、金属製の不織布に限らず、例えばコーディエ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、同等の諸元を有するフィルタであれば、本実施例と同等の結果を得ることができると考えられる。
尚、上述した本実施例のエレメント１０４は、エレメント１０４の両端に封止板１１２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１１２を用いない構造としてもよい。
図６は、封止板を用いない構造のエレメントを備えるパティキュレートフィルタ１００の断面図である。図６では、図が煩雑となることをさけるために、波板１０８の表示は省略している。前述した図４では、不織布１０６の両端に互い違いに封止板１１２を溶接したが、封止板を溶接する代わりに、図６に示すように、不織布同士を端部１１３で互いに溶接してもよい。こうすれば封止板１１２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１００をより簡便に製造することができる。
Ａ−３．パティキュレートフィルタの取付構造：
図７は、パティキュレートフィルタ１００をディーゼルエンジン１０に取り付けるための構造を示す説明図である。図示するように、燃焼室の上部を構成するシリンダヘッド３２と排気マニホールド１６との間にフィルタホルダ４０を設け、フィルタホルダ４０内に、各燃焼室毎にパティキュレートフィルタ１００を挿入して取り付ける。フィルタホルダ４０はシリンダヘッド３２にボルトで締結されている。フィルタホルダ４０にパティキュレートフィルタ１００を挿入した後、排気マニホールド１６をボルトで締結すると、フランジ部がフィルタホルダ４０と排気マニホールド１６との間に挟み込まれるようにして、パティキュレートフィルタ１００が固定される。
図８は、パティキュレートフィルタ１００が、フィルタホルダ４０を介してディーゼルエンジン１０に取り付けられている様子を示す説明図である。図示するように、フィルタホルダ４０の内径はパティキュレートフィルタ１００よりも僅かに大きめとなっているので、パティキュレートフィルタ１００を装着すると、パティキュレートフィルタ１００の外周部とフィルタホルダ４０の内周部との間にギャップ１２４が形成される。また、パティキュレートフィルタ１００のフランジ部両面は、ガラス繊維などで形成された断熱部材１２０，１２２を介してフィルタホルダ４０および排気マニホールド１６によって挟持されている。
このようにして、パティキュレートフィルタ１００をディーゼルエンジン１０に取り付ければ、排気ガスの流動エネルギを効率よく温度に変換してフィルタ温度を上昇させることが可能となる。すなわち、かかる構造によれば、パティキュレートフィルタ１００は、燃焼室に近接して取り付けることができるので、ディーゼルエンジン１０の排気弁が開くと同時に燃焼室内から一気に噴出する排気ガスは、流速が減衰することなく、しかも、周囲から冷却されることなくパティキュレートフィルタ１００に流入する。図２８を用いて説明したように、排気ガス温度に対するフィルタ温度の上昇量は、流入する排気ガスの温度が高くなるほど大きくなり、また、流速が大きくなるほどフィルタでの圧力上昇が大きくなって、その分だけフィルタ温度の上昇量も大きくなる（前述の（４）式参照）。
加えて、図８に示すように、パティキュレートフィルタ１００の外周面とフィルタホルダ４０内周面との間には、ギャップ１２４が形成されており、また、フランジ部は断熱部材１２０，１２２を介して取り付けられているので、パティキュレートフィルタ１００で発生した熱がフィルタホルダ４０や排気マニホールド１６に伝わり難い構造となっている。このため、フィルタ内で発生した熱を、フィルタホルダ４０や排気マニホールド１６に伝えることなくパティキュレートフィルタ１００内に保持しておくことが可能であり、従って、排気ガスの動圧を効率よくフィルタ温度に変換することが可能となっている。
尚、パティキュレートフィルタ１００の外周面とフィルタホルダ４０の内周面との間に形成されたギャップ１２４の厚さは、１ｍｍ以下の値に設定しておくことが好ましい。これは、ギャップの厚さを十分に小さく、すなわち１ｍｍ以下の値に設定すれば、ギャップ内部での排気ガスの流動を抑制することができるからである。ギャップ１２４の内部で排気ガスが流動すると、パティキュレートフィルタ１００の側面から排気ガスが熱を奪ってフィルタホルダ４０に伝えることにより、僅かではあるがフィルタからフィルタホルダに向かって熱が逃げてしまう。ギャップ１２４の厚さを１ｍｍ以下としておけば、このような僅かな熱の逃げも抑制することが可能となる。
Ｂ．実験結果：
以下、上述のパティキュレートフィルタ１００をディーゼルエンジン１０に適用して得られた実験結果について説明する。
Ｂ−１．エンジン台上試験結果：
図９は、４気筒のディーゼルエンジンに本実施例のパティキュレートフィルタ１００をセットして、エンジンベンチで定常運転したときの、フィルタ前後差圧、およびフィルタに流入する排気ガス温度、フィルタ出口側のフィルタ温度の変化を測定した実験結果である。図９の横軸はエンジンの運転時間である。排気量４．３Ｌの４気筒ディーゼルエンジンを、エンジン回転速度が毎分１６３０回転、発生トルクが９５Ｎｍの条件で定常運転している。尚、排気ガス温度は、フィルタからの輻射の影響を避けつつ、フィルタの上流約５０ｍｍ付近で計測した。
図９の上段に示すように、パティキュレートフィルタ１００に流入する排気ガス温度は、ほぼ３８０℃で一定であるが、フィルタ温度は、ゆっくりと上昇を続け、計測開始から約１．５時間で５５０℃に達し、その後も上昇を続けて５７５℃に達している。尚、フィルタ温度は、フィルタに流入する排気ガス温度よりも計測開始直後から約４０℃〜５０℃ほど高くなっているが、これは、前述したように排気ガスの流動エネルギがパティキュレートフィルタ１００で熱に変換されたためである。
前述したように、排気ガス中に含まれるススなどの含炭素浮遊微粒子は、５５０℃以上の高温にならなければ燃焼しないと考えられている。従って、フィルタに流入する排気ガス温度３８０℃の条件で、フィルタ温度が次第に上昇していくのは、ススなどではない排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物が、パティキュレートフィルタに捕集され、排気ガス中の酸素と何らかの発熱反応を行っているものと考えられる。こうしてフィルタ温度が５５０℃に達したら、フィルタ上に捕集されているススなどの含炭素浮遊微粒子が燃焼を開始する。
図９の下段には、フィルタ前後での差圧を計測した結果を示している。フィルタ前後の差圧は、計測開始直後では増加しているが、その後は全体としてほぼ同じ値に保たれている。また、注意深く見れば、計測開始から少しずつ差圧が増大し、フィルタ温度が最高温度に達した時点で、差圧が減少する傾向が見受けられる。
図１０は、図９と同じ運転条件でエンジンの運転を継続しながら、フィルタ前後の差圧を計測した結果を示したものである。フィルタ前後の差圧は、多少の変動は見られるが、エンジンの運転を継続しても差圧が増大する傾向はない。一般的には、排気ガスとともに排出される含炭素浮遊微粒子をフィルタで捕集しながらディーゼルエンジンの運転を続けると、捕集した微粒子を何らかの方法で処理しない限り、フィルタが目詰まりして差圧が増大するはずである。ところが前述のように、本実施例のパティキュレートフィルタを装着した場合には、フィルタ前後の差圧が増大する傾向が見られないことから、フィルタに流入する排気ガス温度が３８０℃であるにもかかわらず、捕集した含炭素浮遊微粒子などがフィルタ上で燃焼しているものと考えられる。また、計測を開始してから１８時間経過後にエンジンの負荷を増大させたところ、図中の矢印で示すようにフィルタ前後の差圧が減少した。これは、負荷を増大させたことで、フィルタに流入する排気ガス温度が上昇し、フィルタに捕集された含炭素浮遊微粒子の燃焼が促進されたためと考えられる。
図１１は、ディーゼルエンジン運転中に、排気通路内の圧力変動を計測した結果の一例を示す説明図である。ディーゼルエンジンでは、排気弁が開いた瞬間に、燃焼室内の高圧の排気ガスが排気弁から噴出し、排気管内を圧力波となって進行する。図１１に示すように、パティキュレートフィルタ１００の上流では、排気弁が開いた瞬間に大きな圧力変動が生じているが、パティキュレートフィルタ１００の下流では、圧力波が急激に減衰している。このことから、排気弁が開くと同時に排気管内に噴出した排気ガスの流れが、本実施例のパティキュレートフィルタ１００を通り抜ける際に減衰して熱に変換されているものと考えられる。
以上、図９ないし図１１を用いて説明したように、本実施例のパティキュレートフィルタ１００を用いれば、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を捕集し、捕集した微粒子を、特別な制御を行うことなく燃焼させることが可能である。このようなことが可能となる推定メカニズムについては後述する。
Ｂ−２．実車による試験結果：
次に、本実施例のパティキュレートフィルタ１００を、車両に搭載されたディーゼルエンジンに適用して得られた試験結果について説明する。試験は、加速と減速とを繰り返す所定の走行パターンで車両を走行させながら、パティキュレートフィルタ１００に流入する排気ガス温度、フィルタ温度、およびフィルタ前後の差圧を計測した。車両の走行パターンは、図１２に示すような「１０ＬＡＰパターン」と呼ばれる走行パターンと、「１１ＬＡＰパターン」と呼ばれる走行パターンの、２つの走行パターンを主に使用した。
１０ＬＡＰパターンは、図示されているように、車両停止状態から時速６０ｋｍまで加速した後、時速６０ｋｍから減速して停止するパターンを１山として、１０山を繰り返して走行するパターンである。１１ＬＡＰパターンは、１０ＬＡＰパターンの最後に１１山目として、車両停止状態から時速１００ｋｍまで加速した後、時速１００ｋｍから減速して停止するパターンの山を追加したパターンである。
（１）１０ＬＡＰ走行中の計測結果：
図１３は、１０ＬＡＰパターンを繰り返しながら走行したときに、パティキュレートフィルタ１００に流入する排気ガス温度、フィルタ温度、およびフィルタ前後の差圧を計測した結果を示す説明図である。
図示されているように、走行中にフィルタに流入する排気ガス温度は、３７０℃〜４００℃の範囲で変動している。これに対してフィルタ温度は、計測開始直後は４００℃であるが、５２０℃付近まで次第に上昇していく。計測開始直後から、フィルタ温度がフィルタに流入する排気ガス温度より３０℃程度高い値を示すのは、前述したように、フィルタで排気ガスの流動エネルギが熱に変換されているためである。また、パティキュレートフィルタ１００を、前述したように断熱構造としているので、フィルタ温度が速やかに上昇している。
計測開始後、約１４０ｋｍ走行した時点でフィルタ温度が急激に上昇し、瞬間的に６５０℃に達した後、速やかに４７０℃付近まで低下する。このようにフィルタ温度が急激に上昇するのは、パティキュレートフィルタに捕集されている排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が激しく燃焼したためであり、その後、速やかにフィルタ温度が低下するのは燃焼する微粒子などが無くなったためと考えられる。捕集した微粒子などが燃焼することと対応して、フィルタ前後の差圧も急激に低下している。
フィルタに捕集した含炭素浮遊微粒子などを燃焼して、フィルタ温度が４７０℃まで低下した後も、走行継続とともにフィルタ温度が次第に上昇していく。そして５２０℃付近に達した後、３９０ｋｍ走行時点で、フィルタ温度は再びスパイク状に上昇して瞬間的に６００℃に達し、その後、４９０℃まで速やかに低下する。１４０ｋｍ走行時点の場合と同様に、この時にもパティキュレートフィルタに捕集された含炭素浮遊微粒子などが激しく燃焼しているものと考えられる。
尚、図１３に示すように、３９０ｋｍ走行時点でフィルタ温度がスパイク状に上昇して再び４９０℃に低下した直後に、フィルタ前後の差圧や、フィルタに流入する排気ガス温度、フィルタ温度が変動しているのは、車両の点検のために、車速を時速３０ｋｍに落として５分間走行しているためである。車速を時速３０ｋｍに減速するとフィルタ温度が４２０℃付近まで低下している。後述するように、車速が時速３０ｋｍの場合でも、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物の反応を維持することができる。
以上、図１３に示したように、１０ＬＡＰパターンで走行中は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物の捕集と燃焼とが、フィルタ上で繰り返されていると考えられる。このことに対応して、フィルタ前後の差圧は多少は変動するもののほぼ安定しており、走行を継続してもフィルタが目詰まりする兆候は見られない。
（２）１１ＬＡＰ走行中の計測結果：
図１４は、１１ＬＡＰパターンを繰り返しながら走行したときの、パティキュレートフィルタ１００のフィルタ温度、およびフィルタ前後の差圧を計測した結果を示した説明図である。
図１２を用いて前述したように、１１ＬＡＰと呼ばれる走行パターンは、１０ＬＡＰと呼ばれるパターンに、車両停止状態から時速１００ｋｍまでの加速を含む１１山目の走行パターンを追加したものである。１１山目の加速時に、フィルタ温度は一時６００℃に達するので、フィルタに捕集されている含炭素浮遊微粒子などはこの時に燃焼すると思われる。すなわち、１１ＬＡＰパターンで走行した場合には、走行中に捕集した微粒子などを、１１山目の加速で定期的に燃焼させながら走行することになる。このことに着目して、１１山目の加速前と加速後とで、フィルタ温度やフィルタ差圧が車両走行とともにどのように変化するかを計測した。尚、「１１山目の加速前」の計測値としては、具体的には１０山目の加速時のタイミングでの計測値を、「１１山目の加速後」としては１山目の加速時のタイミングでの計測値をそれぞれ示している。
図１４には、１１ＬＡＰの１１山目の加速前と加速後とで、フィルタ温度およびフィルタ前後の差圧がどのように変化するかが示されている。図中に、黒丸「●」で示されているのが１１山目の加速前（具体的には、１０山目の加速時）の計測結果であり、白丸「○」で示されているのが１１山目の加速後（具体的には、１山目の加速時）の計測結果である。尚、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス温度は、４００℃でほぼ一定である。以下では説明が煩雑化することを避けるために、１１山目の加速前のことを「１００キロ加速前」と略称し、１１山目の加速後のことを「１００キロ加速後」と略称することにする。
図１４に示されているように、１１ＬＡＰ走行中のフィルタ温度およびフィルタ前後差圧は、大まかには次のように推移することが分かる。すなわち、１００キロ加速後の差圧（○で表示）は低いまま保たれているが、時速６０ｋｍまでの低速の山を１０山分、走行した後の１００キロ加速前の差圧（●で表示）は次第に大きくなる。これは、１００キロ加速時にフィルタ温度が６００℃に達して、捕集したススなどが燃焼してしまうので、１００キロ加速後のフィルタ温度およびフィルタ差圧が低下するものと考えられる。
また、１００キロ加速前のフィルタ温度（●で表示）に着目すると、走行開始後２０００ｋｍまでの期間は約４６０℃であるが、走行距離２０００ｋｍから３０００ｋｍまでの期間に次第に高くなり、走行距離３０００ｋｍ以降では５００℃を少し越える温度でほぼ安定している。このことから、走行距離に応じて、２０００ｋｍまでの期間と、２０００ｋｍから３０００ｋｍまでの過渡的な期間と、３０００ｋｍ以降の３つの期間に分けて考えることができる。フィルタ温度の低い期間である走行開始後２０００ｋｍまでの期間は、低速の１０山を走行中は炭化水素系化合物が反応し、高速の１１山目を走行するときにススなどの含炭素浮遊微粒子が燃焼しているものと考えられる。これに対し、走行距離３０００ｋｍ以降では、低速の１０山を走行中にも断続的にフィルタ温度が５５０℃に達し、捕集した含炭素浮遊微粒子の燃焼が起きているものと予想される。
更に、１００キロ加速前後のフィルタ温度差に着目すると、走行距離３０００ｋｍ以降では低速の１０山走行中にもススなどが一部燃焼することと対応して、走行開始後２０００ｋｍまでの期間は約２０℃であったフィルタ温度差が、走行距離３０００ｋｍ以降では約５０℃に増加している。
（３）極低速走行中の計測結果：
図１３を用いて前述したように、１０ＬＡＰ走行中に車速を時速３０ｋｍに低下させると、フィルタ温度も急激に低下した。しかし、このことは、低速走行時には捕集した含炭素浮遊微粒子が燃焼し得ないことを意味するものではなく、時速３０ｋｍ走行であっても、捕集した含炭素浮遊微粒子を燃焼させることができる。図１５は、車両が停止状態から時速３０ｋｍまでの加速と減速とを繰り返す極低速の走行パターンで走行中のフィルタ温度を計測した結果を示す説明図である。フィルタに流入する排気ガス温度は約３００℃である。図示するように、極低速走行時にも、フィルタ温度は次第に上昇していき、１６０ｋｍ程度走行すれば５００℃に達する。フィルタ温度は、その後変動を繰り返すが、フィルタ差圧は安定しており、目詰まりを起こす兆候は見られない。
（４）比較例の計測結果：
図１６は、参考のために、耐熱金属製の不織布の細孔径分布が所定範囲よりも小さいパティキュレートフィルタを装着して、車両走行中のフィルタ温度、およびフィルタ前後差圧の推移を計測した結果を示す説明図である。走行パターンは１０ＬＡＰパターンである。
図１６に示すように、耐熱金属製不織布の細孔径分布が適切でない場合には、８０ｋｍ走行時点でフィルタ前後の差圧が１００ｋＰａを越え、パティキュレートフィルタが破損してしまう。また、フィルタが目詰まりして背圧が上昇するためにフィルタに流入する排気ガス温度が上昇しているが、本実施例のパティキュレートフィルタを用いた場合のように、フィルタ温度とフィルタに流入する排気ガス温度とが次第に乖離する現象は生じない。このことから、耐熱金属製不織布の細孔径分布が小さすぎると、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子などによってフィルタが目詰まりしてしまい、捕集した炭化水素系化合物に排気ガス中の酸素を十分に供給することができずに、炭化水素系化合物と酸素との発熱反応が生じないものと考えられる。これに対して、本実施例のパティキュレートフィルタのように、適切な諸元の不織布を用いれば、捕集した含炭素浮遊微粒子と炭化水素系化合物とに排気ガス中の酸素を十分に供給して、比較的低温の排気ガス中でも炭化水素系化合物と酸素との発熱反応を維持することができる。かかる反応を維持することによって、反応熱や反応によって生じた活性種が蓄積されて、ついには捕集した含炭素浮遊微粒子が燃焼し、自然再生機能が発現するものと考えられる。
Ｂ−３．自然再生機能の推定メカニズム：
本実施例のパティキュレートフィルタ１００で起きている現象、すなわちフィルタに捕集された含炭素浮遊微粒子が、可燃温度よりも低い排ガス中で燃焼する現象は、必ずしも全てのメカニズムが解明されているわけではないが、現時点で推定される自然再生機能のメカニズムについて、以下に説明する。
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１７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、含炭素浮遊微粒子と、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それぞれ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、前述したように酸素を含んだ排気ガス雰囲気でも５５０℃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、５５０℃より低い温度でも酸化反応が起こり得ると予想される。
また、含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガス中で、耐熱金属製の不織布に捕集された含炭素浮遊微粒子が燃焼し始める現象は、不織布の細孔径が不適切であったり、あるいは通常使用されているセラミックス製のハニカムフィルタなどを使用したのでは発現しない。前述したように、所定範囲の諸元を有する不織布を用いることで、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が排気ガス中の酸素と接触可能なように分散された状態で捕集した場合に発現している。本実施例の不織布が、含炭素浮遊微粒子などを分散した状態で捕集する推定メカニズムについては後述する。
これに加えて、不織布の温度は次のように変化する。含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低い温度で、ある程度の期間、含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物を捕集していると、やがて不織布の温度がゆっくりと上昇していき、最終的には含炭素浮遊微粒子の燃焼可能温度である５５０℃に達する。
これらのことから、パティキュレートフィルタ１００の自然再生機能が発現する際には、不織布上では次のような現象が起きているものと推定される。先ず、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が、不織布に分散した状態で捕集される。フィルタに流入する排気ガス温度は含炭素浮遊微粒子の可燃温度より低いので、捕集された微粒子が直ちに燃焼を開始することはないが、炭化水素系化合物は排気ガス中の酸素と何らかの反応を開始する。フィルタ温度はゆっくりと上昇していくことから、この反応は、緩慢な発熱反応であると考えられる。このような発熱反応がしばらく継続すると、反応熱が蓄積され、あるいは反応によって生成した活性種が蓄積されて、含炭素浮遊微粒子の燃焼が開始されるものと考えられる。
一方、いわゆるコージライト製のハニカムフィルタや、細孔径などの諸元が不適切な不織布を用いた場合には、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なように高分散状態で捕集することは困難である。このため、酸素の供給が不足して、炭化水素系化合物と排気ガス中の酸素との緩慢な発熱反応を維持できず、反応熱あるいは反応によって生成する活性種を蓄積することができない。その結果、本実施例のパティキュレートフィルタで確認されるような自然再生機能が発現しないものと考えられる。
また、フィルタに流入する排気ガス温度が高ければ、それだけフィルタ温度が含炭素浮遊微粒子の可燃温度に達し易くなるので、直感的には、捕集した含炭素浮遊微粒子が燃焼し易くなると思われるが、実際には、フィルタに流入する排気ガス温度が高くなり過ぎると、却って自然再生機能が発現せずに含炭素浮遊微粒子が燃焼し難くなる場合がある。これは、排気ガス温度が高くなると、炭化水素系化合物と酸素との間で起きていた反応の反応経路が変わってしまい、反応によって生じていた活性種を蓄積することができなくなったためと考えることができる。
図１８は、含炭素浮遊微粒子の可燃温度より低い温度において、不織布に捕集された炭化水素系化合物と、排気ガス中の酸素との間で起きている前駆的な反応をシミュレーション計算した結果を模式的に示した説明図である。捕集されている炭化水素系化合物として、ブタン（Ｃ４　Ｈ１０）を選び、ブタン分子と酸素との化学反応を計算化学と呼ばれる手法を用いてシミュレーション計算している。計算化学と呼ばれる手法にも種々の方法が提案されているが、ここでは半実験的な手法、すなわち、計算の困難な部分は実験データを使用しつつ、分子の電子軌道を記述する波動方程式を解くことにより、化学反応を追跡する手法を用いた。
計算結果によれば、図１８（ａ）に示すように、初めにブタン分子の水素原子が１つ飛び出して反応が始まる。水素原子が飛び出した後のブタン分子には、不対電子が１つ発生し、この位置に、排気ガス中の酸素が結合する。図中の小さな黒丸は、不対電子が発生している箇所を模式的に示したものである。酸素は、ブタン分子に結合する際に別の箇所から水素原子を引き抜いてくるために、水素が引き抜かれた部分に新たな不対電子が発生する。こうして新たな不対電子が発生した位置にも、排気ガス中の酸素が結合する。このようにブタン分子は、排気ガス中の酸素と、ゆっくりと結合して、部分的に酸化された活性種を形成していく。この酸化反応は発熱反応であり、反応が進むにつれて、温度が上昇するとともに、部分的に酸化された活性種が蓄積される。
こうした第１段階の反応が進行して、温度が上昇し、あるいは部分的に酸化された活性種が蓄積されていくと、やがて第２段階の反応に移行する。すなわち、図１８（ｂ）に示すように、ブタン分子が部分的に酸化された活性種から、ＯＨラジカルが発生する。ＯＨラジカルは、たいへんに反応性に富んだラジカルであり、残りの炭化水素系化合物や含炭素浮遊微粒子を急激に燃焼させる。
上述の計算結果によれば、第１段階の反応で部分酸化状態の活性種を十分に蓄積しておけば、第２段階の反応ではそれだけＯＨラジカルが多量に発生して、残りの炭化水素系化合物や含炭素浮遊微粒子が急激に燃焼することになる。また、ブタン分子ではなく、より炭素数の多い炭化水素系化合物を使用すれば、１つの分子により多くの酸素が結合し得るので、それだけ多くのＯＨラジカルを発生して、急激な燃焼が起きるものと考えられる。前述の図２７に示す第２期においては、排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物と酸素とが、パティキュレートフィルタ上で、図１８に示すような反応を起こしており、こうした反応による熱や活性種が十分に蓄積されると、フィルタ上に捕集されている含炭素浮遊微粒子の燃焼が開始されるものと考えられる。
Ｂ−４．捕集モデル：
以上に説明したように、本実施例のパティキュレートフィルタ１００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る。これは、後述するメカニズムによって、ススなどの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１９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１９（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っ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１９（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１９（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続く流れに集約されていく。図１９（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てもよい。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１９（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。
以上に詳細に説明したように、本実施例のパティキュレートフィルタ１００を用いて、排気ガス中に含まれているススなどの含炭素浮遊微粒子を捕集すれば、捕集したススなどを自然に燃焼させることができる。すなわち、特別な制御を必要としないために、排気ガス中に含まれている含炭素浮遊微粒子を簡便に浄化することができる。
また、捕集した含炭素浮遊微粒子は自然に燃焼を開始するので、例えばススの捕集状況を推定して燃焼を開始させるといった困難な処理が不要であり、結局は、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を確実に浄化することができる。
更には、ススなどの含炭素浮遊微粒子や炭化水素系化合物が捕集されると、自然に燃焼を開始することから、フィルタが目詰まりして破損するおそれがない。
従来から使用されている内燃機関の排気管中に、本実施例のパティキュレートフィルタを装着するだけよいので、極めて簡素で信頼性の高い排気ガス浄化システムを構成することができる。もちろん、パティキュレートフィルタを装着するだけでよいので、システムを構成するコストも大きく低減することができる。
Ｂ−５．不織布の望ましい諸元範囲：
以上に説明したように、本実施例のパティキュレートフィルタ１００では、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子や炭化水素径化合物を、排気ガス中の酸素と接触可能な状態に分散して捕集する。このため、含炭素浮遊微粒子の可燃温度よりも低温の排気ガス中で、捕集した微粒子を燃焼させることが可能である。これに対して、前述したように細孔径の小さな金属不織布や、コージライト製のハニカムフィルタを用いた場合には、このような現象は発現しない。このことから、自然再生機能が発現するためには、不織布の諸元が所定範囲内にあることが必要であると考えられる。所定範囲を明確にするためには、更に系統的な確認実験を行う必要があるが、これまでの実験結果によれば、少なくとも、不織布内部に形成された細孔の平均内径が、略５μｍ〜略２５μｍの範囲にあることが望ましいと考えられる。以下、この理由について説明する。
図１９を用いて前述したように、本実施例のパティキュレートフィルタ１００では、不織布内部で排気ガスの通路が自動的に切り替わることで、含炭素浮遊微粒子や炭化水素径化合物を分散して捕集しているものと考えられる。排気ガスの通路が切り替わるためには、細孔によって不織布表面に形成された開口部のうち、小さな開口部は捕集した含炭素浮遊微粒子によって閉塞されるが、閉塞されない大きな開口部もある程度の割合で存在しなければならない（図１９（ｂ），（ｃ）参照のこと）。大きな開口部がある程度の割合で存在しなければならないことから、不織布の平均細孔径は所定値より大きくなければならないと考えられる。実際に、平均細孔径が５μｍの不織布を用いた試験では、パティキュレートフィルタがたちまち目詰まりしてしまったことから、不織布の平均細孔径は略５μｍより大きいことが望ましいと考えられる。前述の図１６に示した実験結果は、このことを裏付けるものである。
逆に、不織布の平均細孔径があまりに大きい場合にも、不織布表面の開口部がほとんど閉塞されず、従って不織布内部で排気ガスの通路が切り替わることはない。このことから不織布の平均細孔径は、所定値よりも小さくなければならないと考えられる。実際に、平均細孔径が略２５μｍのフィルタを用いて行った試験では、本実施例のパティキュレートフィルタのような自然再生機能が発現しないことから、平均細孔径は略２５μｍより小さいことが望ましいと考えられる。
尚、本明細書中で平均細孔径とは、いわゆるＷａｓｈｂｕｒｎの式に基づいて計測された細孔径の平均値を用いている。Ｗａｓｈｂｕｒｎの式とは、フィルタに液体を浸漬した場合、細孔径が小さくなるほど液体の表面張力で細孔が閉塞され易くなるのでフィルタの通気抵抗が増加するという現象に着目して、フィルタの前後に加える差圧と、液体の表面張力と、フィルタと液体との接触角と、フィルタの細孔径との間に成り立つ関係を記述した式である。Ｗａｓｈｂｕｒｎの式に基づく計測方法は、細孔径分布の計測方法として広く使用されているので、詳細な計測方法については説明を省略する。ここでは、Ｗａｓｈｂｕｒｎの式に基づいて計測された細孔容積の累積値が５０％となる細孔径を平均細孔径としている。もちろん、周知の異なる計測方法を用いて計測した場合は、平均内径の数値自体は変動し得ることは言うまでもない。
また、パティキュレートフィルタ１００の耐久性の観点からは、不織布の平均細孔径は、略１１μｍ以上で且つ、略１３μｍ以下とするのがより望ましいことが分かっている。以下では、この理由について説明する。
パティキュレートフィルタ１００の劣化は、フィルタ上にアッシュと呼ばれる微粒子が堆積することによって生じると考えられる。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Ｃａ，Ｍｇ，Ｚｎ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、フィルタ上に一旦アッシュが堆積すると、含炭素浮遊微粒子とは違って燃焼させることができず、パティキュレートフィルタ１００を目詰まりさせてしまう。そこで、アッシュに対する耐久性を評価するために、意図的にアッシュの発生量を増やしたディーゼルエンジンを用いて、平均細孔径の異なる各種パティキュレートフィルタの耐久試験を行った。具体的には、エンジンオイルの消費量を通常の５倍程度に多くしたエンジンを用い、全負荷条件で２０時間の耐久試験を行った後、自然再生機能の有無を評価した。
図２０は、得られた結果をまとめたものである。パティキュレートフィルタは、不織布の平均細孔径が１０μｍ、１２μｍ、１４μｍの３種類のフィルタを評価している。いずれのパティキュレートフィルタも、フィルタが新品の時には自然再生機能を有している。図２０中の「◎」は、良好な自然再生機能が確認できたことを意味している。平均細孔径１２μｍのパティキュレートフィルタは、耐久試験後も良好な自然再生機能を有している。これに対して平均細孔径１０μｍのフィルタ、あるいは平均細孔径１４μｍのフィルタでは、耐久によってフィルタが目詰まりして評価中にフィルタが破損したために、いずれも自然再生機能の有無を確認することができなかった。
耐久後の各フィルタの不織布を光学顕微鏡で観察したところ、平均細孔径１０μｍの不織布では、排気ガスが流出する側の表面（出口側表面）はまだ不織布の繊維が確認できるものの、排気ガスが流入する側の表面（入口側表面）はアッシュによって目詰まりした上から更に含炭素浮遊微粒子が堆積して、不織布の繊維を確認することが困難であった。逆に平均細孔径１４μｍの不織布は、入口側表面では目詰まりしていないが、出口側表面では繊維間に形成された開口部が、アッシュや含炭素浮遊微粒子によって閉塞されている様子が観察された。平均細孔径１２μｍの不織布では、入口側表面および出口側表面のいずれも、不織布繊維のところどころにアッシュが付着している様子が観察されるものの、繊維間の開口部がアッシュによって閉塞されている様子は全く見られなかった。
図２１は、不織布の平均細孔径によって、目詰まりの仕方が異なる様子を概念的に示す説明図である。図は、パティキュレートフィルタ１００の不織布１０６と波板１０８との間に形成された通路に沿って、パティキュレートフィルタ１００の断面をとり、一部の通路を拡大して示している。排気ガスは、紙面に向かって左側からフィルタに流れ込み、矢印で示したように不織布１０６を通過して、右側に抜けていく。図中で不織布の一部を黒く塗りつぶしているのは、不織布の表面にアッシュや含炭素浮遊微粒子が堆積していることを模式的に示したものである。
図２１（ａ）は、平均細孔径１０μｍのパティキュレートフィルタの場合を示している。不織布の平均細孔径が１０μｍの場合は、不織布の入口側表面、すなわち排気ガスが流れ込む側の表面にアッシュおよび含炭素浮遊微粒子が偏在して堆積し、不織布の細孔を閉塞している。図２１（ｂ）は、不織布の平均細孔径が１２μｍのパティキュレートフィルタの場合を示す。不織布の平均細孔径が１２μｍの場合は、アッシュは不織布全体に万遍なく分散し、含炭素浮遊微粒子は自然再生機能によって燃焼するため、さほど堆積しておらず、細孔の閉塞は見られない。図２１（ｃ）は、不織布の平均細孔径が１４μｍのパティキュレートフィルタの場合を示す。不織布の平均細孔径が１４μｍになると、アッシュや含炭素浮遊微粒子は入口側表面にはさほど堆積しないが、出口側表面、すなわち不織布を通過した排気ガスが流れ出す側の表面に偏在して堆積し、出口側の細孔を閉塞している。
不織布の平均細孔径が大きくなると、出口側表面にアッシュや含炭素浮遊微粒子が偏在して堆積し易くなる理由は、細孔径が大きい分だけ不織布内部で排気ガスが通過する流路が切り替わり難くなっているためであると考えられる。すなわち、図１９を用いて前述したように、本実施例のパティキュレートフィルタ１００は不織布内部で排気ガスの流路を切り替えることにより、含炭素浮遊微粒子を分散した状態で捕集していると考えられる。不織布の細孔径が大きくなると、含炭素浮遊微粒子あるいはアッシュが入口側表面で捕集されることは無いにしろ、排気ガスの流路が切り替わらないため、結果として出口側付近に偏在して堆積するものと思われる。
以上に説明したように、不織布の平均細孔径が１０μｍ以下では、パティキュレートフィルタを長い期間、使用しているうちに、不織布の入口側表面にアッシュおよび含炭素浮遊微粒子が堆積して、フィルタを目詰まりさせるおそれがある。また、不織布の平均細孔径が１４μｍ以上では、長い間、使用しているうちに、不織布の出口側表面にアッシュおよび含炭素浮遊微粒子が堆積して、フィルタを目詰まりさせるおそれがある。従って、パティキュレートフィルタの不織布は、平均細孔径が略１１μｍ以上で且つ、略１３μｍ以下の不織布を用いることが望ましいと考えられる。別途行った実験によれば、平均細孔径が１２μｍ±１０％の不織布を用いたときに最も良い結果が得られている。
以上、不織布の平均細孔径に着目して説明したが、不織布の細孔径をこのような範囲にしようとすると、不織布の繊維径の望ましい範囲も自ずから定まってくる。すなわち、細孔径を大きくすると、それに連れて不織布内の繊維密度も少なくなる。繊維密度が少なくなると不織布の強度が低下するので、これを補うべく、１本１本の繊維径を大きくすることになる。つまり、不織布強度を確保しようとすると、細孔径が大きくなると繊維径も太くなる傾向にある。また、不織布の製法にもよるが、不織布の製造上の理由から、細孔径が大きくなるほど繊維径も太くなり易いことが経験から分かっている。これらの理由から、不織布の平均細孔径を略１１μｍ〜１３μｍとするためには、繊維径を略１５μｍ以上で且つ、略２０μｍ以下としておくことが望ましい。
Ｃ．変形例：
上述の排気ガス浄化装置には各種の変形例が存在する。図２２は、パティキュレートフィルタ１００の取付構造の各種変形例を示した説明図である。以下では、これら各種変形例について説明する。
（１）第１の変形例：
図２２（ａ）は、第１の変形例の取付構造を示す説明図である。図示するように、第１の変形例においては、ギャップ１２４の入口に相当する箇所のフィルタホルダ４０の内周面に突起１２６が設けられている。このようにフィルタホルダ４０の内周面に突起１２６を設ければ、排気ガスの流れが突起１２６に遮られるので、ギャップ１２４に直接流入することがなく、ギャップ１２４内部での排気ガスの流動を抑制することができる。その結果、フィルタホルダ４０へ伝熱量が減少するので、パティキュレートフィルタ１００の温度を高温に維持することができる。
（２）第２の変形例：
図２２（ｂ）は、第２の変形例の取付構造を示す説明図である。第２の変形例においては、図示するように、フィルタホルダ４０の内周面に段差が設けられていて、排気ガスの流れがギャップ１２４に直接流入しないようになっている。このため、ギャップ内部で排気ガスの流動が抑制されている。
加えて、第２の変形例においては、フィルタホルダ４０内周面の段差がパティキュレートフィルタ１００の端面に近接して設けられており、フィルタ端面と段差との間に、図示するように、絞り１２８が形成されている。かかる絞り１２８の働きによって、排気ガスの流入が妨げられ、ギャップ１２４内部での排気ガスの流動を抑制することができる。そのため、フィルタホルダ４０への伝熱量が減少することとなり、パティキュレートフィルタ１００の温度を高温に維持することが可能である。
（３）第３の変形例：
図２２（ｃ）は、第３の変形例の取付構造を示す説明図である。第３の変形例においては、図示するように、パティキュレートフィルタ１００の先端側外周に、断熱部材１３０が設けられており、パティキュレートフィルタ１００を装着すると、断熱部材１３０の背後にギャップ１２４が形成される。かかる第３の変形例の取付構造においては、断熱部材１３０に遮られて、排気ガスがギャップ１２４に流入し難くなっているので、パティキュレートフィルタ１００の温度を高温に維持することができる。
また、かかる第３の変形例においては、断熱部材１３０によってパティキュレートフィルタ１００がガイドされる結果、パティキュレートフィルタ１００とフィルタホルダ４０との間隔を一定に保つことができるので、フィルタの組み付け作業が容易になると言う利点もある。
尚、かかる第３の変形例においては、パティキュレートフィルタ１００外周の先端部にのみ断熱部材１３０が設けられているものとして説明したが、外周の全域に断熱部材１３０を設けることもできるのは言うまでもない。
（４）第４の変形例：
本実施例の排気ガス浄化装置においては、次のようなパティキュレートフィルタ１００を用いても良い。図２３は、かかる第４の変形例で用いられるパティキュレートフィルタ１００の形状を模式的に示す説明図である。理解を容易にするために、図２３では、パティキュレートフィルタ１００の一部断面を取って表示している。第４の変形例のパティキュレートフィルタ１００は、ケース１０２に図示するようなガイド部１０３が設けられている。このため、ガイド部１０３に導かれるようにして排気ガスがパティキュレートフィルタ１００に流れ込むので、排気ガスの動圧を有効に利用してフィルタ温度を効率的に上昇させることが可能となる。
また、かかる第４の変形例においては、ガイド部１０３はパティキュレートフィルタ１００のケース１０２に設けられており、フィルタホルダ４０とはギャップ１２４によって隔てられている。このため排気ガスが、ガイド部１０３に導かれてパティキュレートフィルタ１００に流れ込む際に、排気ガスの熱エネルギの一部がガイド部１０３に伝わったとしても、かかる熱エネルギはフィルタホルダ４０に流出することなくフィルタの温度上昇に使われる。従って、それだけパティキュレートフィルタ１００を高温に維持しておくことが可能となる。
（５）第５の変形例：
図２４は、第５の変形例のパティキュレートフィルタ１００の形状を模式的に示す説明図である。理解を容易にするために、図２４では、パティキュレートフィルタ１００の一部断面を取って表示している。第５の変形例のパティキュレートフィルタ１００は、エレメント１０４の先端部がケース１０２からはみ出した状態で収納されている。このため、排気ガスの動圧がフィルタ先端部で温度に変換されると、先端部ではフィルタからケース１０２に熱が逃げることがないので、フィルタ先端部を速やかに昇温させることが可能となる。またフィルタ内部に温度勾配が発生する分だけ、フィルタ先端部をフィルタ本体よりも高温に保っておくことが可能となる。
（６）第６の変形例：
上述した各種の実施例においては、パティキュレートフィルタ１００は、燃焼室毎に設けられているものとして説明したが、必ずしも燃焼室毎に設けなくとも良い。例えば、複数の燃焼室からの排気ガスを一旦集合させ、集合部分にフィルタを設けることとしてもよい。また、図２５に例示するように、２〜３気筒ずつの排気ガスを集合させ、各集合部分にフィルタを設けることとしてもよい。燃焼室の近傍はフィルタを搭載するためのスペースを確保することは必ずしも容易ではないが、集合部分であればスペースの確保も比較的容易であり、従って、パティキュレートフィルタ１００をより大きなものとしたり、あるいはより最適な形状のものを搭載することが可能となって好ましい。
（７）第７の変形例：
また、以上に説明した各種実施例のパティキュレートフィルタ１００を、例えば、ＮＯｘ浄化触媒などの触媒と組み合わせて用いることも可能である。以下では、このような第７の変形例について説明する。
図２６は、本実施例のパティキュレートフィルタ１００と、いわゆるＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００と組み合わせて構成した第７変形例の排気ガス浄化装置を示す説明図である。ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００は、排気ガス中に酸素が過剰に存在する条件下では、排気ガス中の窒素酸化物を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、吸蔵しておいた窒素酸化物を排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素などを用いて還元する。こうして、窒素酸化物の吸蔵と還元とを繰り返すことによって、排気ガス中の窒素酸化物を浄化することができる。
図２６に示す排気ガス浄化システムにおいては、排気ガス中に含まれる含炭素浮遊微粒子を、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００の上流で浄化するために、後流のＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００がススなどで覆われて、性能が低下するといった問題の発生を回避することができる。
また、こうしたＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００は、排気ガス中の窒素酸化物の吸蔵時、あるいは吸蔵した窒素酸化物の還元時に活性酸素を放出する。活性酸素はたいへん反応性のとんだ酸素であり、含炭素浮遊微粒子を容易に燃焼させることができる。従って、パティキュレートフィルタ１００の下流側にＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００を組み合わせておけば、例え含炭素浮遊微粒子がパティキュレートフィルタ１００を通過したとしても、下流側のＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００で浄化することができるので好適である。
あるいは、本実施例のパティキュレートフィルタを、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００の後流に設けることで、排気ガス中の窒素酸化物やススなどを効果的に浄化できる場合もある。例えば、ススなどの排出量は比較的少ないが、窒素酸化物の排出量が多い場合には、ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒２００をパティキュレートフィルタの上流側に設ければ、窒素酸化物の還元動作を開始すると直ちに炭化水素を供給して、窒素酸化物を素早く浄化することができる。
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべ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、以上の実施例においては、パティキュレートフィルタ１００の上流側に、リードバルブあるいは電動ポンプなどを用いて空気を供給するようにしてもよい。こうすれば、必要に応じて排気ガス中に酸素を供給することにより、捕集した炭化水素系化合物と酸素との反応を促進することができるので好適である。
また、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏなどの適度な酸化活性を示す金属触媒を不織布に担持してもよい。こうすれば低温の排気ガス中で、捕集された炭化水素系化合物と酸素との反応を促進することにより、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ので好適である。
更に、上述した各種実施例においては、パティキュレートフィルタはフィルタホルダ４０を利用して取り付けられるものとしたが、フィルタホルダ４０を用いることなく、シリンダヘッドの排気ポート内にパティキュレートフィルタを直接挿入して取り付けることとしてもよい。あるいは、排気マニホールド１６に上流側から挿入して取り付けるようにしても構わないのはもちろんである。
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、排気ガス温度を上昇させるための特別な制御を行ったり、あるいは貴重な貴金属を用いることなく、排気ガス中の含炭素浮遊微粒子を簡便に、しかも長期にわたって確実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浄化フィルタ、かかるフィルタを利用した排気ガス浄化装置、更には、こうした排気ガス浄化装置を搭載した内燃機関、各種車両、船舶に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。
【図面の簡単な説明】
図１は、本実施例のパティキュレートフィルタをディーゼルエンジンに適用した排気ガス浄化システム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使用されるエレメントの製造方法を示す説明図。
図４は、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５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６は、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７は、パティキュレートフィルタをディーゼルエンジンに取り付けるための構造を示す説明図。
図８は、パティキュレートフィルタが、フィルタホルダを介してディーゼルエンジンに取り付けられている様子を示す説明図。
図９は、本実施例のパティキュレートフィルタをディーゼルエンジンに適用した時のフィルタ温度やフィルタ前後差圧の変化を示す説明図。
図１０は、本実施例のパティキュレートフィルタを装着してディーゼルエンジンを長時間運転したときのフィルタ前後差圧の変化を示す説明図。
図１１は、パティキュレートフィルタ前後における排気管内の圧力変動の違いを示す説明図。
図１２は、試験に使用した車両の走行パターンを示す説明図。
図１３は、実施例のパティキュレートフィルタをディーゼルエンジンに適用して、１０ＬＡＰパターン走行中のフィルタ温度やフィルタ前後差圧を計測した結果を示す説明図。
図１４は、本実施例のパティキュレートフィルタをディーゼルエンジンに適用して、１１ＬＡＰパターン走行中のフィルタ温度やフィルタ前後差圧を計測した結果を示す説明図。
図１５は、本実施例のパティキュレートフィルタをディーゼルエンジンに適用して、極低速の走行パターンで走行中のフィルタ温度やフィルタ前後差圧を計測した結果を示す説明図。
図１６は、細孔径が適正値より小さな不織布を用いたパティキュレートフィルタを搭載して、１０ＬＡＰパターンを走行したときの、フィルタ温度やフィルタ前後差圧を計測した結果を示す説明図。
図１７は、ディーゼルエンジンの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の組成を示す説明図。
図１８は、ススの可燃温度より低い温度条件で炭化水素が酸素と緩慢な酸化反応を起こして、活性種を生成する様子を概念的に示す説明図。
図１９は、本実施例のパティキュレートフィルタが排気ガス中のススなどを分散して捕集するメカニズムを概念的に示す説明図。
図２０は、平均細孔径の異なるパティキュレートフィルタの耐久結果を示す説明図。
図２１は、不織布の平均細孔径によって、目詰まりの仕方が異なる様子を概念的に示す説明図。
図２２は、パティキュレートフィルタの取付構造の各種変形例を示した説明図。
図２３は、第４の変形例のパティキュレートフィルタの形状を模式的に示す説明図。
図２４は、第５の変形例のパティキュレートフィルタの形状を模式的に示す説明図。
図２５は、第６の変形例の排気ガス浄化装置を示す説明図。
図２６は、第７の変形例の排気ガス浄化装置を示す説明図。
図２７は、本実施例のパティキュレートフィルタの自然再生機能を概念的に示す説明図。
図２８は、排気ガスの流動エネルギがフィルタ上で温度に変換される推定原理を示す説明図。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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2002025072.tif 000032
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