JP2017198163A - フィルタおよび内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、金属繊維の集合体として構成されたフィルタにおいて、該フィルタからＰＭが排出されるのを抑制しつつ、アッシュが堆積した状態を解消することが可能な技術を提供することを目的とする。
【解決手段】フィルタを構成する金属繊維の構造が、その横断面形状が湾曲または屈曲した形状であって、且つ、外側部材と、該外側部材よりも線膨張係数が大きい内側部材とが貼り合わされた構造となっている。そのため、金属繊維は、その温度が上昇すると、その長さ方向において外側部材側に反り返るように変形し、且つ、単位温度当たりのその変形量を変形率としたときに、その温度上昇に伴って所定の変形温度で単位温度当たりの該変形率の変化量が変化する構造となっている。さらに、その変形温度がフィルタ再生処理の目標温度よりも高い温度となっている。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭと称する場合もある。）を捕集するフィルタ、および、該フィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気通路には、排気中のＰＭを捕集するフィルタが設けられる場合がある。ここで、特許文献１には、内燃機関の排気通路に設けられるフィルタの一種として、金属繊維の集合体として構成されたフィルタが開示されている。このように、フィルタが金属繊維の集合体として構成された場合、フィルタの破損や溶損が生じ難いといった利点がある。

特開２００８−１３６９３６号公報 特開２００９−１３８７０４号公報

金属繊維の集合体として構成されたフィルタ（以下、単に「フィルタ」と称する。）においては、繊維と繊維との間に形成される細孔（隙間）にＰＭが捕集される。ここで、フィルタに形成される細孔の大きさは一定ではなく、大きさが比較的小さい細孔や、大きさが比較的大きい細孔が形成され得る。そして、ＰＭは、大きさが比較的小さい細孔（例えば５μｍ以下の細孔）に捕集される。以下、ＰＭを捕集することが可能な程度の大きさの細孔を「小細孔」と称する場合もある。また、小細孔よりも大きさが大きい細孔を「大細孔」と称する場合もある。このような大細孔にはＰＭは捕集されずＰＭが通過することになる。

また、フィルタにおいては、小細孔に捕集されたＰＭが徐々に堆積する。そこで、フィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムでは、該フィルタに堆積したＰＭを除去するフィルタ再生処理が実行される。フィルタ再生処理では、フィルタの温度をＰＭの酸化が可能な所定の目標温度に上昇させる。これにより、フィルタに堆積したＰＭが酸化され除去される。

ここで、フィルタには、ＰＭとともに、排気に含まれるアッシュも捕集される。つまり、フィルタにおける小細孔にはアッシュも捕集される。ＰＭの主成分が炭素系成分であるのに対し、アッシュの主成分は金属系成分である。そのため、上記のようなフィルタ再生処理が実行されることでフィルタの温度が目標温度まで上昇したとしても、アッシュは酸化によって除去はされ難い。したがって、フィルタにアッシュが堆積した状態をフィルタ再生処理によって解消することは困難である。そして、フィルタにアッシュが堆積した状態となると、該アッシュによって塞がれた状態の小細孔が増加する。これにより、ＰＭを捕集することが可能な小細孔が減少することになる。その結果、小細孔によって十分な量のＰＭを捕集することが困難となり、フィルタのＰＭ捕集性能が低下する虞がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、金属繊維の集合体として構成されたフィルタにおいて、該フィルタからＰＭが排出されるのを抑制しつつ、アッシュが堆積した状態を解消することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係るフィルタは、金属繊維の集合体として構成されており、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって、前記フィルタの温度を所定の目標温度に上昇させることで、前記フィルタに堆積した粒子状物質を酸化させて除去するフィルタ再生処理が実行される内燃機関の排気浄化システムに適用されるフィルタにおいて、前記金属繊維の構造が、その横断面形状が湾曲または屈曲した形状であって、且つ、その湾曲形状または屈曲形状の外側に位置する外側部材と、その湾曲形状または屈曲形状の内側に位置し、前記外側部材よりも線膨張係数が大きい内側部材とが貼り合わされた構造であり、その温度が上昇すると、その長さ方向において前記外側部材側に反り返るように変形し、且つ、単位温度当たりのその変形量を変形率としたときに、その温度上昇に伴って所定の変形温度で単位温度当たりの前記変形率の変化量が変化する構造となっており、さらに、前記変形温度が前記目標温度よりも高い温度となるように、前記金属繊維の横断面形状の常温時の湾曲度合または屈曲度合、および、前記外側部材の線膨張係数と前記内側部材の線膨張係数との差が設定されている。

本発明では、フィルタを構成する一本一本の金属繊維の横断面形状が湾曲または屈曲した形状となっている。また、金属繊維の構造が、その横断面の湾曲形状または屈曲形状の外側に位置する外側部材と、その横断面の湾曲形状または屈曲形状の内側に位置する内側部材とが貼り合わされた構造となっている。これら外側部材と内側部材とは金属繊維の長さ方向に延びている。そして、外側部材の線膨張係数よりも内側部材の線膨張係数の方が大きくなっている。

このような外側部材と内側部材との線膨張係数の差異に起因して、金属繊維の温度（すなわち、フィルタの温度）が上昇すると該金属繊維において熱応力が発生する。その結果、金属繊維は、その長さ方向において外側部材側に反り返るように変形する。

ただし、金属繊維の横断面形状が湾曲形状または屈曲形状となっていることから、該金属繊維は曲げに対する剛性が比較的高い。つまり、金属繊維はその長さ方向における反り返りに対する剛性が比較的高い。そのため、金属繊維の温度が上昇しても、比較的温度が低い間（すなわち、熱応力が比較的小さい間）は、該金属繊維の外側部材側に反り返るような変形の変形量（以下「反り返り変形量」と称する場合もある。）は比較的小さい。しかしながら、金属繊維の温度が上昇すると、その横断面形状である湾曲形状または屈曲形状がその幅方向（その長さ方向と垂直に交わる方向）に広がっていく。つまり、金属繊維の横断面形状における湾曲度合または屈曲度合が、その温度上昇に伴って小さくなる。そして、金属繊維の横断面形状における湾曲度合または屈曲度合が小さくなると該金属繊維の曲げに対する剛性（すなわち、その長さ方向における反り返りに対する剛性）が低下する。

このように、金属繊維の温度が高くなるほど、該金属繊維にかかる熱応力は増加するのに対して、該金属繊維の長さ方向における反り返りに対する剛性は低下する。そのため、本発明に係る金属繊維は、その温度が上昇していくと、ある温度でその反り返り変形量が急激に増加する。ここで、単位温度当たりの金属繊維の反り返り変形量を変形率とすると、金属繊維４０の温度上昇に伴って、ある温度で該金属繊維の変形率が急上昇することになる。つまり、本発明に係る金属繊維は、その温度上昇に伴って所定の変形温度で単位温度当たりの変形率の変化量が変化する構造となっている。

そして、変形温度は、金属繊維における、横断面形状の常温時の湾曲度合または屈曲度合、および、外側部材の線膨張係数と内側部材の線膨張係数との差との相関が高い。そこで、本発明に係る金属繊維においては、変形温度がフィルタ再生処理の目標温度よりも高
い温度となるように、横断面形状の常温時の湾曲度合または屈曲度合、および、外側部材の線膨張係数と内側部材の線膨張係数との差が設定されている。

このような金属繊維によって形成されたフィルタによれば、該フィルタの温度を変形温度より高い温度に上昇させると、金属繊維がその長さ方向において大きく反り返るように変形する。その結果、フィルタにおいて金属繊維と金属繊維との間に形成された小細孔の大きさが大きくなり得る。そして、小細孔の大きさが大きくなると、該小細孔に捕集されていたアッシュが、該小細孔（大きさが大きくなった小細孔）をすり抜け易くなる。そのため、フィルタからアッシュを排出させることが可能となる。

また、本発明に係るフィルタにおいては、金属繊維の変形温度はフィルタ再生処理の目標温度よりも高いため、フィルタ再生処理の実行時に該フィルタの温度が該目標温度に上昇したとしても、該金属繊維の反り返り変形量は比較的小さい。つまり、フィルタ再生処理の実行中においては、小細孔の大きさが大きくなり難い。そのため、小細孔に捕集されたＰＭが酸化されずに該小細孔をすり抜けることを抑制することができる。したがって、フィルタ再生処理の実行中にフィルタからＰＭが酸化されずに排出されることを抑制することができる。

このように、本発明に係るフィルタによれば、該フィルタからＰＭが排出されるのを抑制しつつ、アッシュが堆積した状態を解消することができる。

ここで、本発明を、上記のような金属繊維で構成されたフィルタと、フィルタ再生処理を実行する再生処理実行部と、を備えた内燃機関の排気浄化システムの発明として捉えることもできる。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、再生処理実行部によるフィルタ再生処理の実行完了後に、アッシュ排出処理を実行する排出処理実行部をさらに備えてもよい。アッシュ排出処理では、フィルタの温度を変形温度より高い温度に上昇させることで金属繊維を変形させ、それによって、該フィルタに堆積したアッシュを該フィルタから排出させる。

フィルタ再生処理の実行完了後においては、フィルタに堆積していたＰＭのほとんどが除去された状態となっている。つまり、フィルタにはほぼアッシュのみが堆積した状態となっている。そのため、フィルタ再生処理の実行完了後にアッシュ排出処理を実行することで、フィルタからアッシュが排出される際にＰＭも合わせて排出されてしまうことを抑制することができる。

また、内燃機関の排気中に含まれるアッシュの量はＰＭの量に比べて非常に少ない。そのため、フィルタに堆積するアッシュの量も、該フィルタに堆積するＰＭの量に比べて少ない。そこで、再生処理実行部によるフィルタ再生処理が所定の複数回数実行される毎に、排出処理実行部がアッシュ排出処理を実行してもよい。

また、排出処理実行部は、アッシュ排出処理を実行する際に、フィルタの温度を変形温度より高い温度範囲で複数回上下させてもよい。これによれば、アッシュ排出処理の実行中において、金属繊維が大きく反り返った状態で、その反り返り変形量の変化が複数回繰り返されることになる。そのため、フィルタに堆積したアッシュが該フィルタからより排出され易くなる。

本発明によれば、金属繊維の集合体として構成されたフィルタにおいて、該フィルタか
らＰＭが排出されるのを抑制しつつ、アッシュが堆積した状態を解消することができる。

本発明の実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 本発明の実施例に係るフィルタの拡大図である。 本発明の実施例に係るフィルタを構成する金属繊維の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る金属繊維の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施例に係る、温度上昇に伴う金属繊維の変形の様子を示す図である。 本発明の実施例に係る、金属繊維の温度と、該金属繊維の反り返り変形量と、金属繊維の横断面形状との相関を示す図である。 本発明の実施例に係る、金属繊維における横断面形状の常温時の曲率と変形温度Ｔｄとの相関を示す図である。 本発明の実施例に係る、金属繊維における外側部材の線膨張係数と内側部材の線膨張係数との差と変形温度Ｔｄとの相関を示す図である。 本発明の実施例に係る、アッシュ排出処理が実行されたときの、フィルタにおける金属繊維の変形の様子を示す図である。 本発明の実施例１に係るフィルタ再生処理のフローを示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るアッシュ排出処理のフローを示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係るアッシュ排出処理のフローを示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係るアッシュ排出処理のフローを示すフローチャートである。 本発明の実施例の変形例に係るフィルタを構成する金属繊維の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例の変形例に係る、金属繊維における横断面形状の常温時の屈曲角度と変形温度Ｔｄとの相関を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
［排気系の概略構成］
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。内燃機関１には排気通路２が接続されている。

排気通路２には、酸化触媒３およびフィルタ４が排気の流れに沿って上流側から順に設けられている。フィルタ４は排気に含まれるＰＭを捕集する。このフィルタ４は金属繊維の集合体（例えば、金属繊維の織布または不織布）として構成されている。なお、フィルタ４の詳細な構成については後述する。

酸化触媒３より上流側の排気通路２には燃料添加弁５が設けられている。燃料添加弁５は排気通路２内を流れる排気中に燃料を添加する。酸化触媒３より下流側且つフィルタ４より上流側の排気通路２には上流側温度センサ６が設けられている。また、フィルタ４より下流側の排気通路２には下流側温度センサ７が設けられている。上流側温度センサ６は
酸化触媒３から流出した排気の温度を検出する。下流側温度センサ７はフィルタ４から流出した排気の温度を検出する。

また、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。ＥＣＵ１０には、上流側温度センサ６および下流側温度センサ７が電気的に接続されている。さらに、ＥＣＵ１０には、クランクポジションセンサ８およびアクセルポジションセンサ９等の各種センサが電気的に接続されている。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に対応した電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ９は、内燃機関１を搭載した車両のアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に対応した電気信号を出力するセンサである。そして、これらのセンサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０は、上流側温度センサ６の検出値に基づいて酸化触媒３の温度を推定する。また、ＥＣＵ１０は、下流側温度センサ７の検出値に基づいてフィルタ４の温度を推定する。また、ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ８の検出値に基づいて内燃機関１の機関回転速度を推定する。また、ＥＣＵ１０は、アクセルポジションセンサ９の検出値に基づいて内燃機関１の機関負荷を推定する。また、ＥＣＵ１０には、内燃機関１の燃料噴射弁（図示略）および燃料添加弁５等の各種装置が電気的に接続されている。そして、各種装置がＥＣＵ１０によって制御される。

例えば、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５から排気中へ燃料を添加することで、フィルタ４に堆積したＰＭを酸化させて除去するフィルタ再生処理を実行する。燃料添加弁５から燃料が添加されると該燃料が酸化触媒３に供給される。そして、酸化触媒３において燃料が酸化されることで生じる酸化熱によって排気の温度が上昇する。この排気がフィルタ４に流入することで、該フィルタ４の温度がＰＭの酸化が可能な第１目標温度まで上昇すると、該フィルタ４に堆積したＰＭが酸化され除去される。

（フィルタの構成）
ここで、本実施例に係るフィルタの構成について図２，３に基づいて説明する。図２は、フィルタの拡大図である。なお、図２においては、便宜上、各金属繊維４０の横断面形状を簡略化して記載している。図３は、フィルタを構成する金属繊維の概略構成を示す斜視図である。上述したように、フィルタ４は金属繊維４０の集合体として構成されている。このようなフィルタ４においては、金属繊維４０と金属繊維４０との間に細孔が形成される。このとき、フィルタ４においては、図２に示すように、ＰＭを捕集することが可能な程度の大きさの細孔である小細孔と、小細孔よりも大きさが大きい細孔である大細孔とが形成され得る。そして、排気中のＰＭはフィルタ４における小細孔に捕集される。

また、フィルタ４を構成する一本一本の金属繊維４０は、図３に示すように、その横断面形状が円弧状となっている。つまり、金属繊維４０の横断面形状は湾曲した形状となっている。また、金属繊維４０は、その円弧状の外側に位置する外側部材４１と、その円弧状の内側に位置する内側部材４２とが貼り合わされた構造となっている。この外側部材４１と内側部材４２とはその線膨張係数が異なっている。つまり、内側部材４２の線膨張係数が外側部材４１の線膨張係数よりも大きくなっている。ここで、外側部材４１を形成する金属材料としてはＳＵＳ４１０（線膨張係数１０．４）を例示することができる。また、内側部材４２を形成する金属材料としてはＳＵＳ３０４（線膨張係数１７．３）を例示することができる。

ここで、上記のような構造を有する金属繊維４０の製造方法について、図４に基づいて簡単に説明する。先ず、外側部材４１を形成する金属材料と内側部材４２を形成する金属材料とを貼り合わすことでバイメタルを製造するとともに、このバイメタルを所定の厚さに圧延する。そして、圧延されたバイメタルを、図４に示すように、複数の円弧状の凸部
を有する金型に押し付けるとともに、カッターによって金型の凸部と凸部との間の位置でバイメタルを切断する。このとき、内側部材４２を形成する金属材料の方が金型の凸部と接触するように、バイメタルを該金型に押し付ける。これにより、バイメタルが、円弧状の横断面形状を有する繊維状に成形される。そして、この繊維状のバイメタルを、その円弧状の横断面形状を維持しつつ引き延ばすことで、所望の太さ（厚さ）の金属繊維に成形し、さらに、それを所望の長さに切断する。このような方法により、所望の太さ（厚さ）および所望の長さの金属繊維４０が製造される。

次に、温度上昇に伴う金属繊維４０の変形について図５に基づいて説明する。上記のように外側部材４１と内側部材４２との線膨張係数が異なっていることに起因して、金属繊維４０の温度（すなわち、フィルタ４の温度）が上昇すると、該金属繊維４０においては、図５において白抜き矢印で示す方向に働く熱応力が発生する。その結果、金属繊維４０は、図５において実線の矢印に示すように、その長さ方向において外側部材４１側に反り返るように変形する。

ただし、金属繊維４０の横断面形状が円弧状となっていることから、該金属繊維４０は曲げに対する剛性が比較的高い。つまり、金属繊維４０はその長さ方向における反り返りに対する剛性が比較的高い。ここで、金属繊維４０の温度変化に応じた、該金属繊維４０の外側部材４１側に反り返るような変形の変形量（反り返り変形量）の推移について図６に基づいて説明する。図６は、金属繊維の温度と、該金属繊維の反り返り変形量と、金属繊維の横断面形状との相関を示す図である。図６のグラフにおいて、横軸は金属繊維４０の温度を表しており、縦軸は反り返り変形量を表している。また、図６の上方に示す図は、金属繊維４０の温度に応じた該金属繊維４０の横断面形状を表している。

上記のように、金属繊維４０は、その横断面形状が円弧状となっていることから、その長さ方向における反り返りに対する剛性が比較的高い。そのため、図６のグラフに示すように、金属繊維４０の温度が比較的低い間は反り返り変形量は比較的小さい。しかしながら、図６の上方に示す図のように、金属繊維４０の温度が上昇すると、その横断面形状である円弧がその幅方向（その長さ方向と垂直に交わる方向）に広がっていく。つまり、金属繊維４０の横断面形状における湾曲度合が、その温度上昇に伴って小さくなる。そして、金属繊維４０の横断面形状における湾曲度合が小さくなると該金属繊維４０の曲げに対する剛性（すなわち、その長さ方向における反り返りに対する剛性）が低下する。

このように、金属繊維４０の温度が高くなるほど、該金属繊維４０にかかる熱応力は増加するのに対して、該金属繊維４０の長さ方向における反り返りに対する剛性は低下する。そのため、図６に示すように、金属繊維４０の温度がある程度の温度（図６のグラフにおける温度Ｔｄ）より高くなると、その反り返り変形量が急激に増加する。ここで、単位温度当たりの金属繊維４０の反り返り変形量を変形率とすると、金属繊維４０の温度上昇に伴って、温度Ｔｄで該金属繊維４０の変形率が急上昇することになる。すなわち、金属繊維４０においては、単位温度当たりの変形率の変化量が温度Ｔｄで変化する。ここで、図６のグラフにおける温度Ｔｄを変形温度とすると、本実施例に係る金属繊維４０は、その温度上昇に伴って所定の変形温度Ｔｄで単位温度当たりの変形率の変化量が変化する構造となっている。

そして、金属繊維４０における横断面形状の常温時の曲率（すなわち湾曲度合）が、その長さ方向における反り返りに対する剛性と相関がある。また、金属繊維４０における外側部材４１の線膨張係数と内側部材４２の線膨張係数との差が、その温度上昇に伴って発生する熱応力と相関がある。そのため、変形温度Ｔｄは、金属繊維４０における、横断面形状の常温時の曲率、および、外側部材４１の線膨張係数と内側部材４２の線膨張係数との差との相関が高い。図７は、金属繊維における横断面形状の常温時の曲率と変形温度Ｔ
ｄとの相関を示す図である。図７おいて、横軸は金属繊維４０における横断面形状の常温時の曲率を表しており、縦軸は変形温度Ｔｄを表している。また、図８は、金属繊維における外側部材の線膨張係数と内側部材の線膨張係数との差と変形温度Ｔｄとの相関を示す図である。図８おいて、横軸は金属繊維４０における外側部材４１の線膨張係数と内側部材４２の線膨張係数との差を表しており、縦軸は変形温度Ｔｄを表している。

金属繊維４０における横断面形状の常温時の曲率が大きいほど（すなわち湾曲度合が大きいほど）、その長さ方向における反り返りに対する剛性が高くなる。そのため、図７に示すように、金属繊維４０における横断面形状の常温時の曲率が大きいほど、変形温度Ｔｄは高くなる。また、金属繊維４０における外側部材４１の線膨張係数と内側部材４２の線膨張係数との差が大きいほど、その温度が上昇した際に発生する熱応力は大きくなる。そのため、図８に示すように、金属繊維４０における外側部材４１の線膨張係数と内側部材４２の線膨張係数との差が大きいほど、変形温度Ｔｄは低くなる。したがって、これらの相関関係を考慮して、金属繊維４０における、横断面形状の常温時の曲率、および、外側部材４１の線膨張係数と内側部材４２の線膨張係数との差を設定することで、所望の変形温度Ｔｄを有する金属繊維４０を得ることができる。そこで、本実施例においては、金属繊維４０の変形温度Ｔｄがフィルタ再生処理における目標温度である第１目標温度よりも高い温度となるように、その横断面形状の常温時の曲率、および、外側部材４１の線膨張係数と内側部材４２の線膨張係数との差が設定されている。

以下、フィルタ４を構成する金属繊維４０の構造を上記のような構造とすることによる作用・効果について説明する。フィルタ４には、ＰＭとともに、排気に含まれるアッシュを捕集される。つまり、フィルタ４における小細孔にはアッシュも捕集される。ただし、アッシュの主成分は金属系成分であるため、上述したフィルタ再生処理が実行されることでフィルタ４の温度が第１目標温度まで上昇したとしても、アッシュは酸化によって除去はされ難い。そのため、フィルタ再生処理が実行されることで、小細孔に捕集されていたＰＭが酸化され除去されても、小細孔にアッシュが残留することになる。したがって、フィルタ４にアッシュが堆積した状態となると、該アッシュによって塞がれた状態の小細孔が増加する。これにより、ＰＭを捕集することが可能な小細孔が減少することになる。その結果、小細孔によって十分な量のＰＭを捕集することが困難となり、フィルタ４のＰＭ捕集性能が低下する虞がある。したがって、フィルタ４のＰＭ捕集性能の低下を抑制するためには、該フィルタ４に堆積したアッシュ、すなわち、小細孔に捕集されているアッシュを除去する必要がある。

そこで、本実施例では、フィルタ４に堆積したアッシュの除去を可能とすべく、該フィルタ４を構成する金属繊維４０の構造を、フィルタ再生処理における第１目標温度よりも高い変形温度Ｔｄを有する構造とする。そして、本実施例では、フィルタ４をこのような構造とした上で、該フィルタ４に堆積したアッシュを該フィルタ４から排出させるアッシュ排出処理を実行する。アッシュ排出処理では、フィルタ４の温度を、フィルタ再生処理における第１目標温度よりも高い温度であって、金属繊維４０の変形温度Ｔｄよりも高い温度である第２目標温度に上昇させることで該金属繊維４０を変形させ、それによって、該フィルタ４に堆積したアッシュを該フィルタ４から排出させる。

図９は、アッシュ排出処理が実行されたときの、フィルタにおける金属繊維の変形の様子を示す図である。なお、図９においては、便宜上、各金属繊維４０の横断面形状を簡略化して記載しているが、各金属繊維４０の本来の横断面形状は図５に示す形状と同様である。アッシュ排出処理では金属繊維４０の温度が変形温度Ｔｄよりも高くなるため、金属繊維４０がその長さ方向において大きく反り返るように変形する。その結果、図９に示すように、フィルタ４において金属繊維４０と金属繊維４０との間に形成された小細孔の大きさが大きくなり得る。そして、小細孔の大きさが大きくなると、該小細孔に捕集されて
いたアッシュが、該小細孔（大きさが大きくなった小細孔）をすり抜け易くなる。そのため、フィルタ４からアッシュを排出させることが可能となる。したがって、フィルタ４においてアッシュが堆積した状態を解消することができる。

また、上述したとおり、金属繊維４０の変形温度Ｔｄはフィルタ再生処理における第１目標温度よりも高い温度となっている。そのため、フィルタ再生処理が実行されることでフィルタ４の温度が第１目標温度に上昇したとしても、金属繊維４０の反り返り変形量は比較的小さい。つまり、フィルタ再生処理の実行中においては、小細孔の大きさが大きくなり難い。そのため、フィルタ再生処理の実行中においては、小細孔に捕集されたＰＭが酸化されずに該小細孔をすり抜けることを抑制することができる。したがって、フィルタ再生処理の実行中にフィルタ４からＰＭが排出されることを抑制することができる。

このように、金属繊維４０の構造を上記のような構造とすることで、その温度が変形温度Ｔｄ以下のときは、その反り返り変形量が、小細孔の大きさをＰＭがすり抜け難い大きさに維持できる程度の変形量に抑えられる。一方、その温度が変形温度Ｔｄより高いときは、その反り返り変形量が、小細孔の大きさをアッシュがすり抜けられる大きさに拡大できる程度の変形量まで大きくなる。そのため、金属繊維４０の構造を上記のような構造とすることによって、フィルタ４からＰＭが排出されるのを抑制しつつ、アッシュが堆積した状態を解消することが可能となる。

なお、フィルタ再生処理の実行中においては、ＰＭの酸化熱によって、フィルタ４の温度が第１目標温度よりも高くなる場合がある。そのため、フィルタ再生処理の実行中におけるフィルタ４からのＰＭの排出を抑制するという観点からすると、金属繊維４０の変形温度Ｔｄは、フィルタ再生処理の実行中においてＰＭの酸化熱によって到達することが予想されるフィルタ４の温度の最高値よりも高い温度とされることが好ましい。

また、アッシュ排出処理の実行が停止され、金属繊維４０の温度が変形温度Ｔｄより低くなると、該金属繊維４０の反り返り変形量は小さくなる。そのため、アッシュ排出処理の実行中においては拡大していたフィルタ４の小細孔が縮小する。その結果、フィルタ４のＰＭ捕集能力は、アッシュ排出処理の実行前と同程度に回復する。

（フィルタ再生処理およびアッシュ排出処理のフロー）
ここで、上記のようなアッシュ再生処理が実行されるときに、フィルタ４にＰＭが堆積していると、該フィルタ４からアッシュのみならず、一部のＰＭが酸化されずに排出されてしまう虞がある。そこで、本実施例では、フィルタ再生処理の実行完了後にアッシュ再生処理が実行される。以下、本実施例に係るフィルタ再生処理およびアッシュ排出処理のフローについて図１０，１１に基づいて説明する。図１０，１１に示すフローはＥＣＵ１０に予め記憶されており、該ＥＣＵ１０に格納されたプログラムによって実行される。

本フローでは、先ずＳ１０１において、ＥＣＵ１０に格納されているフィルタ再生フラグがＯＮとなっているか否かが判別される。このフィルタ再生フラグは、フィルタ４におけるＰＭ堆積量が所定堆積量以上となったときにＯＮにされるフラグである。フィルタ４におけるＰＭ堆積量は、内燃機関１の運転状態およびフィルタ４の温度等に基づいて推定されるフィルタ４におけるＰＭの捕集量（ＰＭ堆積量の増加分）とＰＭの酸化量（ＰＭ堆積量の減少分）とを積算することで算出することができる。そこで、ＥＣＵ１０では、本フローとは異なるフローを実行することで、フィルタ４におけるＰＭ堆積量が随時算出されている。そして、算出されたＰＭ堆積量が所定堆積量以上となったときに、フィルタ再生フラグがＯＮにされる。

Ｓ１０１において否定判定された場合、つまり、ＥＣＵ１０に格納されているフィルタ
再生フラグがＯＦＦとなっている場合、本フローの実行は一旦終了される。一方、Ｓ１０１において肯定判定された場合、次にＳ１０２の処理が実行される。Ｓ１０２においては、所定のフィルタ再生処理実行条件が成立しているか否かが判別される。フィルタ再生処理実行条件としては、酸化触媒３の温度が活性温度以上であること、内燃機関１の運転状態が安定していること等を例示することができる。

Ｓ１０２において否定判定された場合、つまり、フィルタ再生処理実行条件が成立していない場合、本フローの実行は一旦終了される。一方、Ｓ１０２において肯定判定された場合、次にＳ１０３の処理が実行される。Ｓ１０３においては、フィルタ再生処理を実行すべく、燃料添加弁５による排気中への燃料添加が実行される。そして、フィルタ４の温度Ｔｆが第１目標温度Ｔｆ１となるように、燃料添加弁５からの燃料添加量が調整される。上述したように、第１目標温度Ｔｆ１はＰＭの酸化が可能な温度であって、実験等に基づいて予め定められた温度である。フィルタ４の温度Ｔｆが第１目標温度Ｔｆ１となると、該フィルタ４に堆積しているＰＭが酸化され除去されることになる。

次に、Ｓ１０４において、燃料添加弁５による排気中への燃料添加が開始されてから、すなわち、フィルタ再生処理の実行が開始されてから、第１所定時間が経過したか否かが判別される。ここで、第１所定時間は、フィルタ再生処理が該第１所定時間実行されればフィルタ４に堆積したＰＭが十分に除去され得ると判断できる時間である。このような第１所定時間は実験等に基づいて予め定めることができる。

Ｓ１０４において否定判定された場合、Ｓ１０３の処理が再度実行される。つまり、フィルタ再生処理が継続される。一方、Ｓ１０４において肯定判定された場合、次にＳ１０５において、ＥＣＵ１０に格納されたフィルタ再生フラグがＯＦＦにされる。これにより、フィルタ再生処理の実行が完了したものとする。

そして、Ｓ１０５の次に、Ｓ１０６において、アッシュ排出処理を実行すべく、燃料添加弁５からの燃料添加量が増量される。そして、フィルタ４の温度Ｔｆが第２目標温度Ｔｆ２となるように、燃料添加弁５からの燃料添加量が調整される。上述したように、第２目標温度Ｔｆ２は、フィルタ再生処理における第１目標温度Ｔｆ１よりも高い温度であって、金属繊維４０の変形温度Ｔｄよりも高い温度である。このような第２目標温度Ｔｆ２は実験等に基づいて予め定められている。フィルタ４が第２目標温度Ｔｆ２となると、図９に示すように、金属繊維４０がその長さ方向において大きく反り返るように変形することで、フィルタ４において金属繊維４０と金属繊維４０との間の小細孔が拡大する。そして、この小細孔に捕集されていたアッシュが該フィルタ４から排出されることになる。

次に、Ｓ１０７において、フィルタ再生処理の実行が完了し、燃料添加弁５からの燃料添加量が増量されてから、すなわち、アッシュ排出処理の実行が開始されてから、第２所定時間が経過したか否かが判別される。ここで、第２所定時間は、アッシュ排出処理が該第２所定時間実行されればフィルタ４に堆積したアッシュが十分に除去され得ると判断できる時間である。このような第２所定時間は実験等に基づいて予め定めることができる。

Ｓ１０７において否定判定された場合、Ｓ１０６の処理が再度実行される。つまり、アッシュ排出処理が継続される。一方、Ｓ１０７において肯定判定された場合、次にＳ１０８において、燃料添加弁５による排気中への燃料添加が停止される。つまり、アッシュ排出処理の実行が停止される。

上記フローによれば、フィルタ再生処理の実行完了後にアッシュ排出処理が実行される。これにより、フィルタ４に堆積していたＰＭのほとんどが除去された状態であって、該フィルタ４にはほぼアッシュのみが堆積している状態で、アッシュ排出処理が実行される
ことになる。そのため、フィルタ４からアッシュが排出される際にＰＭも合わせて排出されてしまうことを抑制することができる。

また、上記フローでは、フィルタ再生処理が実行されることによってフィルタ４の温度が第１目標温度まで上昇した状態から、燃料添加弁５からの燃料添加量を増量することでフィルタ４の温度を第２目標温度まで上昇させる。そのため、アッシュ排出処理を実現するための燃料添加弁５からの燃料添加量を抑えることができる。したがって、アッシュ排出処理の実行に伴う燃費の悪化を抑制することができる。

なお、本実施例においては、上記フローにおけるＳ１０３，Ｓ１０４の処理をＥＣＵ１０が実行することで、本発明に係る再生処理実行部が実現される。また、本実施例においては、上記フローにおけるＳ１０６，Ｓ１０７の処理をＥＣＵ１０が実行することで、本発明に係る排出処理実行部が実現される。

また、本実施例では、燃料添加弁５による排気中への燃料添加によってフィルタ再生処理およびアッシュ排出処理を実現した。ただし、内燃機関１における燃料噴射時期を遅角したり、内燃機関１において主燃料噴射の後にポスト噴射を実行したりすることで、該内燃機関１から排出される排気の温度を上昇させ、それによってフィルタ４の温度をそれぞれの処理における目標温度に上昇させることでそれぞれの処理を実現してもよい。

＜実施例２＞
本実施例に係る内燃機関の排気系およびフィルタの構成は実施例１と同様である。また、本実施例においても、実施例１と同様に、フィルタ再生処理およびアッシュ排出処理が実行される。ただし、本実施例ではアッシュ排出処理の実行頻度が実施例１と異なっている。

内燃機関１の排気中に含まれるアッシュの量はＰＭの量に比べて非常に少ない。そのため、フィルタ４に堆積するアッシュの量も、該フィルタ４に堆積するＰＭの量に比べて少ない。そのため、必ずしも、フィルタ再生処理の実行が完了する度にアッシュ排出処理を実行する必要はない。そこで、本実施例では、フィルタ再生処理が所定の複数回数実行される毎にアッシュ排出処理を実行する。

以下、本実施例に係るアッシュ排出処理のフローについて図１２に基づいて説明する。なお、本実施例においても、図１０に示すフィルタ再生処理のフロー（Ｓ１０１〜Ｓ１０５の処理）は実施例１と同様に実行される。また、図１２に示すフローにおけるＳ１０６〜Ｓ１０８の処理は図１１に示すフローにおける処理と同様である。そのため、これらの処理についての説明は省略する。本実施例においても、図１０，１２に示すフローはＥＣＵ１０に予め記憶されており、該ＥＣＵ１０に格納されたプログラムによって実行される。

本実施例では、図１０に示すフローにおけるＳ１０５の処理の次に、図１２に示すフローにおけるＳ２０６の処理が実行される。Ｓ２０６においては、前回のアッシュ排出処理の実行完了後、フィルタ再生処理が所定回数実行されたか否かが判別される。ここで、所定回数は複数回数であって、アッシュ排出処理が実行されることなくフィルタ再生処理が該所定回数実行されれば、フィルタ４において、除去すべき程度の量のアッシュが堆積し得ると判断できる回数である。このような所定回数は、実験等に基づいて予め定めることができる。なお、フィルタ再生処理の実行回数は、ＥＣＵ１０に格納されたカウンタによってカウントされる。このカウンタによってカウントされるフィルタ再生処理の実行回数は、アッシュ排出処理が実行されるとリセットされる。

そして、Ｓ２０６において否定判定された場合、つまり、前回のアッシュ排出処理の実行完了後のフィルタ再生処理の実行回数が所定回数に達していない場合、次にＳ１０８の処理が実行される。つまり、アッシュ排出処理が実行されることなく、燃料添加弁５による排気中への燃料添加の実行が停止される。これにより、フィルタ再生処理の実行が停止される。一方、Ｓ２０６において肯定判定された場合、Ｓ１０６以降の処理が実行される。つまり、アッシュ排出処理が実行される。

上記フローによれば、フィルタ再生処理が所定の複数回数実行される毎にアッシュ排出処理が実行される。これによれば、フィルタ再生処理の実行が完了する度にアッシュ排出処理を実行する場合に比べてアッシュ排出処理の実行頻度を減少させることができる。そのため、アッシュ排出処理の実行に伴う燃費の悪化を抑制することができる。

＜実施例３＞
本実施例に係る内燃機関の排気系およびフィルタの構成は実施例１と同様である。また、本実施例においても、実施例１と同様に、フィルタ再生処理およびアッシュ排出処理が実行される。ただし、本実施例ではアッシュ排出処理を実行した際に、フィルタ４の温度を上下させる点で実施例１と異なっている。

本実施例においても、アッシュ排出処理を実行する際には、燃料添加弁５からの燃料添加量をフィルタ再生処理の実行時よりも増量させることで、フィルタ４の温度を第２目標温度Ｔｆ２に上昇させる。そして、本実施例に係るアッシュ排出処理においては、さらに、フィルタ４の温度を第２目標温度Ｔｆ２以上の範囲で複数回上下させるべく、燃料添加弁５からの燃料添加量を周期的に増減させる。

これによれば、金属繊維４０の温度が変形温度Ｔｄより高い温度範囲で複数回上下することになる。金属繊維４０の温度が変形温度Ｔｄより高い温度範囲で変化すると、その温度変化に伴って金属繊維４０の反り返り変形量が大きく変化する。したがって、金属繊維４０の温度が変形温度Ｔｄより高い温度範囲で複数回上下すると、該金属繊維４０が大きく反り返った状態で、その反り返り変形量の変化が複数回繰り返されることになる。その結果、アッシュ排出処理の実行中に、フィルタ４において小細孔の拡大と縮小が繰り返されることになる。そのため、小細孔に捕集されたアッシュが該小細孔からよりすり抜けが易くなる。したがって、フィルタ４に堆積したアッシュが該フィルタ４からより排出され易くなる。

以下、本実施例に係るアッシュ排出処理のフローについて図１３に基づいて説明する。なお、本実施例においても、図１０に示すフィルタ再生処理のフロー（Ｓ１０１〜Ｓ１０５の処理）は実施例１と同様に実行される。また、図１３に示すフローにおけるＳ１０６，Ｓ１０８の処理は図１１に示すフローにおける処理と同様である。そのため、これらの処理についての説明は省略する。本実施例においても、図１０，１３に示すフローはＥＣＵ１０に予め記憶されており、該ＥＣＵ１０に格納されたプログラムによって実行される。

本実施例では、Ｓ１０６の次に、Ｓ３０７の処理が実行される。Ｓ３０７では、その時点の燃料添加弁５からの燃料添加量以上の範囲で該燃料添加弁５からの燃料添加量が所定回数増減される。このとき、燃料添加弁５からの燃料添加量の増減は、該燃料添加量に伴うフィルタ４の温度変化が追従可能な程度の周期で実行される。つまり、燃料添加量が増量されることでフィルタ４の温度が上昇した後に該燃料添加量が減量される。また、燃料添加量が減量されることでフィルタ４の温度が低下した後に該燃料添加量が増量される。また、燃料添加量の増減回数である所定回数は、該燃料添加量の増減に伴うフィルタ４の温度変化が該所定回数繰り返されればフィルタ４に堆積したアッシュが十分に除去され得
ると判断できる回数である。このような所定回数は実験等に基づいて予め定めることができる。そして、Ｓ３０７の次は、Ｓ１０８の処理が実行され、アッシュ排出処理の実行が停止される。

上記フローによれば、アッシュ排出処理を実行する際に、フィルタ４の温度が変形温度Ｔｄより高い温度範囲で所定回数上下することになる。その結果、金属繊維４０の反り返り変形量の変化が所定回数繰り返されることになる。なお、本実施例においては、上記フローにおけるＳ１０６，Ｓ３０７の処理をＥＣＵ１０が実行することで、本発明に係る排出処理実行部が実現される。また、フィルタ再生処理を複数回実施する毎にアッシュ排出処理を実行する実施例２においても、本実施例に係るアッシュ排出処理を適用することができる。

＜変形例＞
上記実施例１〜３においては、フィルタ４を構成する金属繊維４０の横断面形状を、図３に示すように円弧状とした。しかしながら、本発明に係る金属繊維の横断面形状は必ずしも円弧状でなくてもよい。例えば、金属繊維の横断面形状が、円弧状とは異なる湾曲形状であってもよい。この場合も、金属繊維における横断面形状の常温時の湾曲度合が大きいほど、該金属繊維の変形温度は高くなる。

また、金属繊維の横断面形状を、湾曲形状に代えて、屈曲形状としてもよい。図１４は、実施例の変形例に係るフィルタを構成する金属繊維の概略構成を示す斜視図である。この図１４に示すように、本変形例に係る金属繊維８０の横断面形状は屈曲形状となっている。このような形状の場合も、金属繊維８０は、その屈曲形状の外側に位置する外側部材８１と、その屈曲形状の内側に位置する内側部材８２とが貼り合わされた構造となっている。そして、内側部材８２の線膨張係数が外側部材８１の線膨張係数よりも大きくなっている。

このように、金属繊維８０の横断面形状を屈曲形状とした場合も、該金属繊維８０の曲げに対する剛性は比較的高くなる。つまり、金属繊維８０はその長さ方向における反り返りに対する剛性が比較的高い。しかしながら、金属繊維８０の温度が上昇すると、その屈曲形状がその幅方向（その長さ方向と垂直に交わる方向）に広がっていく。つまり、金属繊維８０の横断面形状における屈曲度合が、その温度上昇に伴って小さくなる（すなわち、屈曲角度が大きくなる。）。そして、金属繊維８０の横断面形状における屈曲度合が小さくなると該金属繊維８０の長さ方向における反り返りに対する剛性が低下する。したがって、金属繊維８０のように、その横断面形状を屈曲形状とした場合も、横断面形状を湾曲形状とした場合と同様、該金属繊維８０は、その温度上昇に伴って所定の変形温度で単位温度当たりの変形率の変化量が変化する構造となっている。

そして、変形温度は、金属繊維８０における、横断面形状の常温時の屈曲角度（すなわち屈曲度合）、および、外側部材８１の線膨張係数と内側部材８２の線膨張係数との差との相関が高い。図１５は、金属繊維８０における横断面形状の常温時の屈曲角度と変形温度Ｔｄとの相関を示す図である。図１５おいて、横軸は金属繊維８０における横断面形状の常温時の屈曲角度を表しており、縦軸は変形温度Ｔｄを表している。この図１５に示すように、金属繊維８０における横断面形状の常温時の屈曲角度が小さいほど（すなわち屈曲度合が大きいほど）、変形温度Ｔｄは高くなる。また、横断面形状を湾曲形状とした場合と同様、金属繊維８０における外側部材８１の線膨張係数と内側部材８２の線膨張係数との差が大きいほど、変形温度Ｔｄは低くなる（図８参照）。そこで、金属繊維８０では、その変形温度Ｔｄがフィルタ再生処理における目標温度である第１目標温度よりも高い温度となるように、その横断面形状の常温時の屈曲角度、および、外側部材８１の線膨張係数と内側部材８２の線膨張係数との差が設定されている。金属繊維８０をこのような構
造とすることで、上記実施例１〜３と同様の効果を得ることができる。

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・酸化触媒
４・・・フィルタ
５・・・燃料添加弁
６・・・上流側温度センサ
７・・・下流側温度センサ
１０・・ＥＣＵ
４０，８０・・金属繊維
４１，８１・・外側部材
４２，８２・・内側部材

Claims (5)

1. 金属繊維の集合体として構成されており、内燃機関の排気中の粒子状物質を捕集するフィルタであって、
   前記フィルタの温度を所定の目標温度に上昇させることで、前記フィルタに堆積した粒子状物質を酸化させて除去するフィルタ再生処理が実行される内燃機関の排気浄化システムに適用されるフィルタにおいて、
   前記金属繊維の構造が、その横断面形状が湾曲または屈曲した形状であって、且つ、その湾曲形状または屈曲形状の外側に位置する外側部材と、その湾曲形状または屈曲形状の内側に位置し、前記外側部材よりも線膨張係数が大きい内側部材とが貼り合わされた構造であり、その温度が上昇すると、その長さ方向において前記外側部材側に反り返るように変形し、且つ、単位温度当たりのその変形量を変形率としたときに、その温度上昇に伴って所定の変形温度で単位温度当たりの前記変形率の変化量が変化する構造となっており、さらに、
   前記変形温度が前記目標温度よりも高い温度となるように、前記金属繊維の横断面形状の常温時の湾曲度合または屈曲度合、および、前記外側部材の線膨張係数と前記内側部材の線膨張係数との差が設定されているフィルタ。
2. 請求項１に記載のフィルタと、
   前記フィルタ再生処理を実行する再生処理実行部と、を備えた内燃機関の排気浄化システム。
3. 前記再生処理実行部による前記フィルタ再生処理の実行完了後に、前記フィルタの温度を前記変形温度より高い温度に上昇させることで前記金属繊維を変形させ、それによって、前記フィルタに堆積したアッシュを前記フィルタから排出させるアッシュ排出処理を実行する排出処理実行部をさらに備えた請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記再生処理実行部による前記フィルタ再生処理が所定の複数回数実行される毎に、前記排出処理実行部が前記アッシュ排出処理を実行する請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記排出処理実行部が、前記アッシュ排出処理を実行する際に、前記フィルタの温度を前記変形温度より高い温度範囲で複数回上下させる請求項３または４に記載の内燃機関の排気浄化システム。

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