JP3815321B2

JP3815321B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3815321B2
Application number: JP2001397474A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 信也広田; 和浩伊藤; 孝充浅沼; 光壱木村; 好一郎中谷; 晃見上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003193821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の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粒子状物質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寄せ集めて小孔が残るようにすると共に残りのフィルタ通路をその下流端にて寄せ集めて小孔が残るようにし、パティキュレートフィルタに流入した排気ガスのほとんどがフィルタ通路を形成している壁（以下、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検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気ガス中には粒子状物質（Particulate Matter）が含まれている。粒子状物質としては主に煤とＳＯＦ（Soluble Organic Fraction：可溶性有機溶媒）とがあげられる。煤とは火炎中の過濃領域で酸素不足になって燃料が蒸し焼き状態になって生成したものでほとんど粘性がない。ＳＯＦとは燃焼時の高温で蒸発した燃料とエンジンオイル中の炭化水素が膨張行程の低温下で析出し、粒子状になったもので粘性がある。
【０００４】
これら煤やＳＯＦ等の粒子状物質を含んだ排気ガスが上述したようなパティキュレートフィルタを通過すると、パティキュレートフィルタの上流端または下流端において粘性のあるＳＯＦがパティキュレートフィルタの小孔周りに付着する。このとき排気ガス中の煤は粘性がないためほとんど小孔周りには付着しない。しかしながら、いったん小孔周りにＳＯＦが付着し且つ付着したＳＯＦが除去されずに残っていると、その場所にはさらにＳＯＦが付着してしまうだけでなく、ＳＯＦの粘性によって煤も付着してしまい、最終的にはパティキュレートフィルタの上流端または下流端に形成された小孔が詰まってしまうことになる。
【０００５】
そこで本発明の目的はパティキュレートフィルタの小孔が排気ガス中のＳＯＦによって詰まることのないようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、排気ガス中の粒子状物質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おり、通路の端部開口が隔壁の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い孔径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結合されている排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの小孔の孔径が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた径とされており、小孔周りの隔壁の温度が低い領域では大きい径とされ、小孔周りの隔壁の温度が高い領域では小さい径とされている。一般的に、小孔周りの隔壁の温度が低いとＳＯＦが酸化除去されにくく、小孔内にＳＯＦが堆積してしまうが、本発明ではそういった温度の低い隔壁により画成される小孔の孔径が大きくされているので、ＳＯＦは小孔周りに堆積せずに通過する。また、小孔周りの隔壁の温度が高い領域よりも小孔周りの隔壁の温度が低い領域に高温の排気ガスが流入するようになり、パティキュレートフィルタの端面部分の温度分布がより均一になる。
【０００７】
第２の発明では、第１の発明において、パティキュレートフィルタの周辺領域にある通路の小孔の孔径がパティキュレートフィルタの中央領域にある通路の小孔の孔径より大きくなるようにした。従来ではパティキュレートフィルタのケーシングの直径がその上流および下流の排気管の管径より大きくなるように形成されている場合、パティキュレートフィルタに流入した排気ガスは主に中央領域を通過し、このため排気ガスの分配特性が不均一になってしまっていた。そこで中央領域より周辺領域の小孔の孔径を大きくすることにより排気ガスが周辺領域にも流れやすくなり、排気ガスの分配特性がより均一になる。
【０００８】
第３の発明では、第１または第２の発明において、パティキュレートフィルタの通路の流路断面積が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた断面積とされており、隔壁の温度が低い領域では小さい断面積とされ、隔壁の温度が高い領域では大きい断面積とされている。
【０００９】
第４の発明では、排気ガス中の粒子状物質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おり、通路の端部開口が隔壁の細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い孔径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結合されている排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの通路の流路断面積が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた断面積とされており、隔壁の温度が低い領域では大きい断面積とされ、隔壁の温度が高い領域では小さい断面積とされており、上記パティキュレートフィルタの周辺領域にある通路の流路断面積が上記パティキュレートフィルタの中央領域にある通路の流路断面積より大きくなるようにされており、上記パティキュレートフィルタの小孔の孔径が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた径とされており、小孔周りの隔壁の温度が低い領域では大きい径とされ、小孔周りの隔壁の温度が高い領域では小さい径とされている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１は本発明において用いられるパティキュレートフィルタ２４を搭載した圧縮着火式内燃機関を示している。なお本発明において用いられる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。
【００１６】
図１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は排気ポートをそれぞれ示す。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。
【００１７】
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１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を介して酸化触媒２２を内蔵したケーシング２３の入口に連結される。酸化触媒２２を内蔵したケーシング２３の出口はパティキュレートフィルタ２４を内蔵したケーシング２５の入口に連結される。
【００１８】
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２６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２６内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２７が配置される。またＥＧＲ通路２６周りにはＥＧＲ通路２６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２８が配置される。図１に示した内燃機関では冷却装置２８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。
【００１９】
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２９に連結される。このコモンレール２９内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３０から燃料が供給され、コモンレール２９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２９にはコモンレール２９内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３１が取り付けられ、燃料圧センサ３１の出力信号に基づいてコモンレール２９内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３０の吐出量が制御される。
【００２０】
電子制御ユニット３２はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３３により互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３５、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３６、入力ポート３７および出力ポート３８を具備する。燃料圧センサ３１の出力信号は対応するＡＤ変換器３９を介して入力ポート３７に入力される。また酸化触媒２２には酸化触媒２２の温度を検出するための温度センサ４１が取り付けられ、パティキュレートフィルタ２４にはパティキュレートフィルタ２４の温度を検出するための温度センサ４２が取り付けられる。これら温度センサ４１、４２の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３９を介して入力ポート３７に入力される。
【００２１】
アクセルペダル４３にはアクセルペダル４３の踏込量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４４が接続され、負荷センサ４４の出力電圧は対応するＡＤ変換器３９を介して入力ポート３７に入力される。さらに入力ポート３７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４５が接続される。一方、出力ポート３８は対応する駆動回路４０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２７、および燃料ポンプ３０に接続される。
【００２２】
次に、図２〜図６を参照して本発明の第１実施形態のパティキュレートフィルタについて説明する。図２（Ａ）はパティキュレートフィルタの端面図であり、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタの縦断面図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示したようにパティキュレートフィルタ２４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。
【００２３】
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。
【００２４】
下流側テーパ壁５２はパティキュレートフィルタ２４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結合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２４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結合されることにより形成されている。
【００２５】
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。
【００２６】
第１実施形態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。言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。
【００２７】
パティキュレートフィルタ２４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ェ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２（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３（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３（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。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を介しても排気ガス流入通路５０から流出することができる。
【００２８】
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の平均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２４に単位時間当たりに流入する粒子状物質（Particulate Matter）の量とパティキュレートフィルタ２４の粒子状物質捕集率とから算出されるパティキュレートフィルタ２４から流出する粒子状物質の量が許容量以下となるように決定される。言い換えれば本発明によれば目標とする粒子状物質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２４の粒子状物質捕集率と圧損の値とを容易に変更することができる。なお、テーパ壁５２の先端に形成された複数の小孔５５のそれぞれの大きさはほぼ同一であり、テーパ壁５３の先端に形成された複数の小孔５６のそれぞれの大きさもほぼ同一である。また、テーパ壁５２の先端に形成された小孔５５の大きさとテーパ壁５３の先端に形成された小孔５６の大きさとはほぼ同一であってもよいし異なっていてもよい。
【００２９】
ところで上流側テーパ壁５３は、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の上流端が上流へ向かって円錐状に広がって排気ガス流入通路５０の流路断面積が徐々に大きくなる形状となるように、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狭まる形状をしている。これによれば図４（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。
【００３０】
すなわち図４（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。一方、本発明のパティキュレートフィルタ２４では図３（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２４に流入しやすい。したがってパティキュレートフィルタ２４の圧損は低い。
【００３１】
さらに図４に示したパティキュレートフィルタでは排気ガス中の粒子状物質は栓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２４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にならない。したがって本発明によれば粒子状物質がパティキュレートフィルタ２４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２４の圧損が高くなることはない。
【００３２】
一方、下流側テーパ壁５２は、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の下流端が下流へ向かって円錐状に広がって排気ガス流出通路５１の流路断面積が徐々に大きくなる形状となるように、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狭まる形状をしている。これによれば図４（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。
【００３３】
すなわち図４（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。
一方、本発明のパティキュレートフィルタ２４では図３（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２４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２４の圧損が低い値とされる。
【００３４】
なおテーパ壁はパティキュレートフィルタ２４の外側に向かって徐々に狭くなる形状であれば、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であってもよいし、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であってもよい。あるいは、第１実施形態以外の形状、例えば四角錐状または六角錐状であってもよい。
【００３５】
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。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２４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２４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粒子状物質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２４の使用中においてテーパ状の壁の壁面上に粒子状物質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２４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】
次に、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガス中に含まれる粒子状物質の除去について説明する。排気ガス中に含まれる粒子状物質には主に煤とＳＯＦ（Soluble Organic Fraction：可溶性有機溶媒）とが含まれる。これら煤およびＳＯＦについて簡単に説明すると、煤とは内燃機関内における燃料燃焼時に火炎中の過濃領域で酸素不足になって燃料が蒸し焼き状態になって生成したものであって主にカーボンＣから成り、ＳＯＦとは内燃機関における燃料燃焼時の高温で蒸発した燃料とエンジンオイル中の炭化水素が膨張行程の低温下で析出し、粒子状になったものであって主に炭化水素からなる。
【００３９】
これら煤およびＳＯＦを含む粒子状物質は排気ガス中に分散されてパティキュレートフィルタに流入し、排気ガスがパティキュレートフィルタ２４の上流側テーパ壁５３、隔壁５４、下流側テーパ壁５２（以下、これらをまとめて周壁と称す）の細孔を通る時にこれら周壁面上および周壁の細孔上に付着する。周壁面上および周壁の細孔上に付着した粒子状物質は以下に説明するメカニズムによって酸化除去される。
【００４０】
パティキュレートフィルタ２４の周壁面上および周壁の細孔上に付着した粒子状物質を酸化除去するメカニズムについて説明する。そのためにまずパティキュレートフィルタ２４の構成について説明する。第１実施形態ではパティキュレートフィルタ２４は例えばコージェライトから形成される担体基材の表面上に例えばアルミナから形成される担体の層が形成される。より詳細には、例えばコージェライトから形成される各排気ガス流入通路５０および各排気ガス流出通路５１の周壁面上、すなわち各隔壁５４の両側表面およびテーパ壁５２、５３の両側表面上および周壁の細孔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る。そして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。
【００４１】
第１実施形態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。
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。
【００４２】
次にパティキュレートフィルタ２４による排気ガス中の粒子状物質、特に煤およびＳＯＦの除去作用について説明する。なお、以下の説明では担体上に白金ＰｔおよびカリウムＫを担持させた場合を例にとっているが、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粒子状物質除去作用が行われる。
【００４３】
ところで、粒子状酸化物質の酸化除去のメカニズムは粒子状物質の種類によって異なる。すなわち煤とＳＯＦによって酸化除去されるメカニズムが異なる。第一の酸化除去メカニズムでは粒子状物質のうちＳＯＦのみが酸化除去され、第二の酸化除去メカニズムでは煤とＳＯＦとの両方が酸化除去される。
【００４４】
まず第一の酸化除去メカニズムについて説明する。ここではパティキュレートフィルタ２４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。この場合、パティキュレートフィルタ２４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。このような過剰空気を含んだ排気ガスの空燃比がリーンである排気ガスは酸化雰囲気にあると言える。
【００４５】
ここで、本実施形態においてパティキュレートフィルタ２４の担体に担持された貴金属触媒は排気ガスが酸化雰囲気にあると排気ガス中の物質を強力に酸化させることができる。したがって上述したように排気ガスが圧縮着火式内燃機関から排出されるガスであるとすると排気ガスが酸化雰囲気にあるため貴金属触媒は強力な酸化力を発揮する。言い換えると貴金属触媒が担持されたパティキュレートフィルタ２４に過剰酸素と粒子状物質とを含んだ排気ガスが流入すると、貴金属触媒の酸化力により排気ガス中のＳＯＦに関しては、Ｃ_mＨ_n＋Ｏ₂→ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏの反応が促される。よって排気ガス中のＳＯＦは貴金属触媒により水や二酸化炭素に酸化されて除去される。
【００４６】
上述した貴金属触媒によるＳＯＦの酸化除去はパティキュレートフィルタ２４が比較的低温であっても行われる。したがって貴金属触媒によるＳＯＦの酸化除去は内燃機関において通常の運転が行われているときにパティキュレートフィルタ２４が取りうる温度において行われる。しかしながら、排気ガス中の煤は貴金属触媒の強力な酸化力をもってしても比較的高温でないと酸化除去することができない。すなわちパティキュレートフィルタ２４上に付着した煤が貴金属触媒によって酸化されて燃焼せしめられる場合にはパティキュレートフィルタ２４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２４の温度を高温に維持しなければならない。したがって貴金属触媒による煤の酸化除去は内燃機関において通常の運転が行われているときにパティキュレートフィルタ２４が取りうる温度においてほとんど行われない。
このためパティキュレートフィルタ２４におけるＳＯＦの酸化除去はこの第一のメカニズムによっても行われるが、パティキュレートフィルタ２４における煤の酸化除去は第一の酸化除去メカニズムよりも後述する第二の酸化除去メカニズムに依存している。
【００４７】
次に第二の酸化除去メカニズムについて説明する。なお、第二の酸化除去メカニズムによれば煤もＳＯＦも同様に酸化除去されるため、これらをまとめて粒子状物質として説明する。ここでもパティキュレートフィルタ２４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。この場合、上述したようにパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスは多量の過剰空気を含んでおり、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２４の排気ガス流入通路５０内に流入することになる。
【００４８】
図５（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５（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。
【００４９】
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２４の排気ガス流入通路５０内に流入すると図５（Ａ）に示したようにこれら酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-またはＯ^2-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Ｏ^2-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５（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。
【００５０】
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Ｏ^2-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Ｏ^2-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ＳＯ₄ ^2-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。
【００５１】
一方、燃焼室５内においては粒子状物質、すなわち煤およびＳＯＦが生成され、したがって排気ガス中にはこれら粒子状物質が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら粒子状物質は排気ガスがパティキュレートフィルタ２４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５（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。
【００５２】
このように粒子状物質６２が活性酸素放出剤６１の表面上に付着すると粒子状物質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内の酸素が粒子状物質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が粒子状物質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。
【００５３】
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が粒子状物質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。
【００５４】
また活性酸素放出剤６１は上述したようにＮＯ_X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ＳＯ₄ ^2-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。
【００５５】
ところで粒子状物質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。したがって粒子状物質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ＮＯ_X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が粒子状物質６２に接触すると粒子状物質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、粒子状物質６２は完全に消滅する。すなわち活性酸素Ｏと煤との反応は、Ｃ＋Ｏ^*→ＣＯ₂として行われ、活性酸素ＯとＳＯＦとの反応は、Ｃ_mＨ_n＋Ｏ^*→ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏとして行われる。
【００５６】
ここで上述した第一酸化除去メカニズムではパティキュレートフィルタ２４上に付着した煤が燃焼（酸化）せしめられるときにはパティキュレートフィルタ２４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２４の温度を高温に維持しなければならなかった。
【００５７】
これに対して本発明では煤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２４の表面が赤熱することもない。言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煤が酸化除去される。したがって本発明による輝炎を発しない粒子状物質の酸化による粒子状物質除去作用は火炎を伴う第一の酸化除去メカニズムによる粒子状物質除去作用と全く異なっている。
【００５８】
このように第一の酸化除去メカニズムでは非常に高温でないと酸化されない煤が、第二の酸化除去メカニズムでは少なくとも第一の酸化除去メカニズムにおける酸化温度よりも低い温度で酸化するようになる。すなわち排気ガス中の煤の酸化除去は第二の酸化除去メカニズムによって内燃機関において通常の運転が行われているときにパティキュレートフィルタ２４が取りうる温度において行われる。こうして、排気ガス中の粒子状物質は第一の酸化除去メカニズムによってまたは第二の酸化除去メカニズムによって酸化除去される。
【００５９】
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２４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２４上において単位時間当りに酸化除去可能な酸化除去可能粒子状物質量はパティキュレートフィルタ２４の温度が高くなるほど増大する。酸化除去可能粒子状物質量はパティキュレートフィルタ２４の温度に依存する。ここで単位時間当りにパティキュレートフィルタ２４に流入する粒子状物質の量を流入粒子状物質量と称すると、この流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量よりも少ないときには、パティキュレートフィルタ２４に流入した全ての粒子状物質がパティキュレートフィルタ２４に付着すると短時間（数秒から数十分）のうちにパティキュレートフィルタ２４上において酸化除去せしめられる。
【００６０】
これに対して流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量よりも多いときには、全ての粒子状物質を酸化するには活性酸素量が不足している。図６（Ａ）〜（Ｃ）はこのような場合の粒子状物質の酸化の様子を示している。すなわち全ての粒子状物質を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図６（Ａ）に示したように粒子状物質６２が活性酸素放出剤６１上に付着すると粒子状物質６２の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった粒子状物質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粒子状物質部分が担体層上に残留し、その結果、図６（Ｂ）に示したように担体層の表面が残留粒子状物質部分６３により覆われるようになる。
【００６１】
担体層の表面が残留粒子状物質部分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にくくなり、しかも残留粒子状物質部分６３と白金Ｐｔとの距離が比較的遠いこともあって白金Ｐｔによる残留粒子状物質部分の酸化が行われにくくなる。こうして残留粒子状物質部分６３は酸化されることなくそのまま残り、斯くして図６（Ｃ）に示したように残留粒子状物質部分６３の上に別の粒子状物質６４が次から次へと堆積する。すなわち粒子状物質が積層状に堆積することになる。
【００６２】
このように粒子状物質が積層状に堆積すると粒子状物質６４はもはや活性酸素Ｏにより酸化されることがなく、したがってこの粒子状物質６４上にさらに別の粒子状物質が次から次へと堆積する。すなわち流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量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２４上には粒子状物質が積層状に堆積し、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２４の温度を高温にしない限り、堆積した粒子状物質を着火燃焼させることができなくなる。
【００６３】
このように流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量よりも少ない場合には粒子状物質はパティキュレートフィルタ２４上において短時間のうちに酸化せしめられ、流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量よりも多い場合には粒子状物質がパティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積する。したがって粒子状物質がパティキュレートフィルタ２４上に積層状に堆積しないようにするためには流入粒子状物質量が常時、酸化除去可能粒子状物質量よりも少ない必要がある。
【００６４】
したがって上述したように酸化除去可能粒子状物質量はパティキュレートフィルタ２４の温度に依存するため、流入粒子状物質量およびパティキュレートフィルタ２４の温度は基本的に流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量よりも常時、少なくなるように維持される。
【００６５】
一方、前述したようにいったん粒子状物質がパティキュレートフィルタ２４上において積層状に堆積するとたとえ流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量よりも少なくなったとしても活性酸素Ｏにより粒子状物質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粒子状物質部分が残留し始めているとき、すなわち粒子状物質が一定限度以下しか堆積していないときに流入粒子状物質量が酸化除去可能粒子状物質量よりも少なくなるとこの残留粒子状物質部分は活性酸素Ｏにより酸化除去される。
【００６６】
なお、上述した酸化除去メカニズムの説明においておよび本明細書全体に亘って、ＮＯ₂およびＳＯ₃の一部が白金Ｐｔ上で酸化されつつ活性酸素放出剤６１内に吸収されると表現しているが、この「吸収」とはＮＯ₂およびＳＯ₃の一部がカリウムＫと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-および硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で活性酸素放出剤６１内に拡散することだけでなく、ＮＯ₂およびＳＯ₃の一部が硝酸イオンＮＯ₃ ^-および硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で活性酸素放出剤６１の表面上に付着すること等、ＮＯ₂およびＳＯ₃の一部が活性酸素放出材６１に蓄えられること全てを意味する。
また、活性酸素、ＮＯ₂またはＳＯ₃が活性酸素放出剤６１から放出されると表現しているが、この「放出」とは活性酸素放出剤６１に蓄えられていた硝酸イオンＮＯ₃ ^-および硫酸イオンＳＯ₄ ^2-が還元されて活性酸素、ＮＯ₂またはＳＯ₃となり、これら活性酸素、ＮＯ₂またはＳＯ₃が活性酸素放出剤６１から離脱していくこと全てを意味する。したがって「放出」には活性酸素放出剤６１の表面上に付着していた硝酸イオンＮＯ₃ ^-および硫酸イオンＳＯ₄ ^2-が還元されて活性酸素、ＮＯ₂またはＳＯ₃が活性酸素放出剤６１から離脱していくことも含まれる。
【００６７】
ところが、上述したパティキュレートフィルタ２４には、上流側の小孔５６が排気ガス中のＳＯＦによって詰まってしまうという問題があり、以下この問題について説明する。この問題が起こる理由としては幾つかの要因が挙げられるが、そのうち主要なものを以下に説明する。
【００６８】
まず、第一の要因としては、上流側の小孔５６を通過するＳＯＦの量自体がテーパ壁５３の細孔や隔壁５４の細孔を通過するＳＯＦの量よりも多いということが挙げられる。すなわち、上述したパティキュレートフィルタ２４では、上流側のテーパ壁５３の細孔や隔壁５４の細孔は小さいが小孔５６はこれらテーパ壁５３および隔壁５４の細孔よりも大きく、さらに、隔壁５４は主に排気ガスの流れに対してほぼ平行に配置されているが小孔５６は排気ガスの流れに対して垂直に配置されているので、単位面積当たりにおいてパティキュレートフィルタ２４のテーパ壁５３または隔壁５４を通過する排気ガスの流量よりも、小孔５６を通過する流量の方が多くなる。このように、小孔５６を通過する排気ガスの流量が多いことから、結果として、小孔５６を通過するＳＯＦの量も多く、したがって、小孔５５がＳＯＦによって詰まってしまう。
【００６９】
しかも、上流側の小孔５６はパティキュレートフィルタ２４の最も上流にあるため、小孔５６を通過する排気ガス中の粒子状物質は除去されておらず、したがって、小孔５６には内燃機関から排出されたままの量の粒子状物質が流入することとなる。こうしたことからも、小孔５６を通過するＳＯＦの量が多いと言え、したがって、上流側の小孔５６がＳＯＦによって詰まってしまう。
【００７０】
第二の要因としては、上流側の小孔５６を通過する排気ガス中のＳＯＦ濃度が一時的に高くなるということが挙げられる。すなわち、内燃機関から排出される排気ガス中のＳＯＦ濃度は常に一定なわけではなく内燃機関の運転状態等に左右され、一時的に増加することがある。排気ガス中のＳＯＦ濃度が常に予定された濃度で一定であれば小孔５６周りのテーパ壁５３に付着したＳＯＦはそこに残留することなく、次から次へと酸化除去されるはずであるので、その場合には小孔５６がＳＯＦによって詰まることはない。しかしながら、排気ガス中のＳＯＦ濃度が増加すると、単位時間当たりに小孔５６周りのテーパ壁５３に付着するＳＯＦの量が多くなることから、小孔５６周りのテーパ壁５３によってＳＯＦを完全に酸化除去することができなくなる。したがって、この場合、小孔５６周りのテーパ壁５３にＳＯＦが堆積し、斯くして堆積したＳＯＦに別のＳＯＦが堆積し、やがては、小孔５６がＳＯＦによって詰まってしまう。
【００７１】
なお、このように排気ガス中のＳＯＦ濃度が増加する場合としては、排気系燃料添加システムや低温燃焼システム等を用いた場合が挙げられる。排気系燃料添加システムとはパティキュレートフィルタ２４を再生するため、すなわち、活性酸素放出剤６１内に吸収されたＮＯ_xを還元するためのシステムであり、活性酸素放出剤６１内に吸収されたＮＯ_xの総量に応じて内燃機関から排出された排気ガス中に燃料を添加して排気ガスを作為的にＨＣやＣＯの多く含まれた還元雰囲気にするものである。したがって排気系燃料添加システムが作動すると排気ガス中に燃料が添加されるため、燃料の未燃分から生成されるＳＯＦが排気ガス中に含まれる量が増加する。
【００７２】
また、低温燃焼システムとは機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路によって連結し、このＥＧＲ通路を介して排気ガス、すなわちＥＧＲガスの増加に伴って煤の発生量がピークとなる量よりも多量のＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させることによって、燃焼室内の燃焼温度を炭化水素が煤に成長する温度よりも低い温度に低下させ、これによりＮＯ_xだけでなく煤もほとんど発生しないようにした燃焼システムである。したがって、低温燃焼システムが作動すると内燃機関の燃焼室内に入る吸気ガス中の酸素Ｏ₂量は少なくなる。このため排気ガス中にはＨＣやＣＯが多く含まれると共に、燃料の未燃分から生成されるＳＯＦが排気ガス中に含まれる量が増加する。
【００７３】
最後に第三の要因の要因としては、排気ガス中のＳＯＦに粘性があるということが挙げられる。すなわち、粒子状物質の性質に関して言えば、煤はほとんど粘性のない粒子であるので、通常は、パティキュレートフィルタ２４の小孔５６を詰まらせることなく小孔５６を通過するはずであるが、粒子状物質中のＳＯＦは粘性がある粒子であるので、ＳＯＦが小孔５６周りのテーパ壁５３に付着するとこのＳＯＦに煤が付着し、やがてはＳＯＦおよびそこに付着した煤によって小孔５６が詰まってしまう。
【００７４】
なお、排気ガス中のＳＯＦは、排気ガスが下流側テーパ壁５２の先端に形成された小孔５５に到達する前に、パティキュレートフィルタ２４によって酸化除去されるので、通常、下流側の小孔５５がＳＯＦによって詰まってしまうことはないと考えられる。しかしながら、パティキュレートフィルタ２４による粒子状物質の酸化除去率が低下すると、パティキュレートフィルタ２４によって粒子状物質を完全に酸化除去することができなくなり、下流側の小孔５５内にも多くのＳＯＦが流入することとなる。この場合には、上流側の小孔５６に関して説明した理由と同じ理由で、下流側の小孔５５もＳＯＦによって詰まってしまうこととなる。
【００７５】
なお、パティキュレートフィルタ２４による粒子状物質の酸化除去率が低下する要因としては、パティキュレートフィルタ２４の周壁面上や周壁の細孔上に粒子状物質が堆積していること、パティキュレートフィルタ内燃機関から排出される排気ガス中のＳＯＦ濃度自体が増加したこと、機関始動時等においてパティキュレートフィルタ２４が酸化力を発揮するのに十分な温度にまで昇温されていないことが挙げられる。
【００７６】
こうした問題を解決するために、本発明の第１実施形態によれば、パティキュレートフィルタ２４の上流に酸化触媒２２が配設される。酸化触媒２２はパティキュレートフィルタ２４と同様にハニカム構造（モノリスタイプ）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を有する。しかしながら酸化触媒２２はパティキュレートフィルタ２４とは異なりテーパ壁を有せず、したがって排気流通路の断面形状は酸化触媒の上流から下流まで同一である。また、酸化触媒２２には例えばセラミックのコージェライトや耐熱鋼からなる担体基材の表面に担体としてアルミナを薄くコーティングし、さらにこのアルミナの担体に貴金属触媒を担持させたものが用いられる。酸化触媒２２の単位表面積当たりに用いられる貴金属触媒の量はパティキュレートフィルタ２４の単位表面積当たりに用いられる貴金属の量よりも多い。なお、第１実施形態では酸化触媒２２の貴金属触媒として白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の中から一つまたは複数の貴金属が採用される。また、酸化触媒２２ではアルミナの担体に貴金属触媒の他に、酸素を吸収・放出するためのセリウムＣｅやニッケルＮｉ等の酸素貯蔵成分や、アルミナや貴金属触媒の結晶粒子の熱変化を低減させるためのバリウムＢａ、ランタンＬａ、ジルコニウムＺｒ等の安定剤等が担持されていてもよい。
【００７７】
酸化触媒２２は排気ガス中の物質を強力に酸化させることができる。特に酸化触媒は２ＣＯ＋Ｏ→ＣＯ₂およびＨＣ＋Ｏ₂→ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏの反応を促すことにより、排気ガス中のＨＣやＣＯを酸化して水や二酸化炭素に変化させて除去することが知られている。さらに酸化触媒２２はＣ_mＨ_n→ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏの反応を促すことにより、排気ガス中のＳＯＦも水や二酸化炭素に酸化して除去する。このため排気ガス中に含まれるＳＯＦは酸化触媒２２によって低減せしめられる。また上述したように酸化触媒２２はハニカム構造であるため、パティキュレートフィルタ２４のように排気ガスが隔壁を通過することを強制せず、よって酸化触媒２２を通過する排気ガスはほとんど排気抵抗を受けない。したがってパティキュレートフィルタ２４の上流に酸化触媒２２を配設することによる背圧の上昇は抑えられる。さらに酸化触媒２２が小孔のないハニカム構造であるためパティキュレートフィルタ２４のようにＳＯＦによって酸化触媒２２が詰まってしまうことはない。
【００７８】
したがって、第１実施形態ではパティキュレートフィルタ２４の上流に酸化触媒２２が配設されることにより、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガス中のＳＯＦ分は低減さる。また、上述したようにパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガス中にＳＯＦ分がほとんど含まれていなければパティキュレートフィルタ２４の小孔５５、５６周りに粒子状物質が積層状に堆積して小孔５５、５６を詰まらせてしまうことがなくなる。こうして本発明の第１実施形態ではパティキュレートフィルタ２４の小孔５５、５６周りに粒子状物質が付着しして小孔５５、５６が詰まってしまうことがなくなる。
【００７９】
よって本発明の第１実施形態ではパティキュレートフィルタ２４の上流に酸化触媒２２を配設することで、排気ガス中のＳＯＦによってパティキュレートフィルタ２４の小孔５５、５６が詰まってしまうことがなくなる。
【００８０】
なお、上記第１実施形態ではパティキュレートフィルタ２４の上流にモノリスタイプの酸化触媒２２が配設されているが、モノリスタイプではない酸化触媒が配設されてもよいし、また排気ガス中のＳＯＦを低減することができれば酸化触媒ではなく例えば排気ガスの空燃比がリーンである時に排気ガス中のＮＯ_xを吸蔵して排気ガスの空燃比がリッチである時に吸蔵したＮＯ_xを還元して放出するＮＯ_x吸蔵還元触媒等の別の装置が配設されてもよい。
【００８１】
次に本発明の第２実施形態について説明する。図７は第２実施形態のパティキュレートフィルタを搭載した内燃機関を示している。図７の内燃機関は図１の内燃機関とほぼ同一である。しかしながら、図１の内燃機関にはパティキュレートフィルタ２４の上流に酸化触媒２２が配設されているのに対して、図７の内燃機関には酸化触媒がなくパティキュレートフィルタ８４のみである。したがって、排気タービン２１の出口はパティキュレートフィルタ８４を内蔵したケーシング８５の入口に連結される。
【００８２】
次に、図８を参照して本発明の第２実施形態のパティキュレートフィルタについて説明する。図８（Ａ）は第２実施形態のパティキュレートフィルタの端面図であり、図８（Ｂ）は第２実施形態のパティキュレートフィルタの縦断面図である。図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示したように第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４は図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示した第１実施形態のパティキュレートフィルタ２４とほぼ同一な構造であって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９０、９１を具備する。
【００８３】
また、第１実施形態のパティキュレートフィルタ２４と同様に、これら排気流通路９０、９１は下流側テーパ壁９２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９０と、上流側テーパ壁９３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９１とにより構成される。さらに、排気ガス流入通路９０はその下流端にて下流側テーパ壁９２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９５を有し、排気ガス流出通路９１はその上流端にて上流側テーパ壁９３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９６を有する。
【００８４】
このように、第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４の構造は第１実施形態のパティキュレートフィルタ２４の構造とほぼ同一であるが、第２実施形態の小孔９５、９６の構成が第１実施形態の小孔５５、５６の構成と異なっている。すなわち、第１実施形態では各小孔５５、５６の大きさはそれぞれ他の小孔５５、５６とほぼ同一であった。言い換えると、パティキュレートフィルタ２４の上流に配置された全ての小孔５６の大きさはほぼ同一であり、パティキュレートフィルタ２４の下流に配置された全ての小孔５５の大きさはほぼ同一であった。しかしながら、第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４では図８（Ｂ）に示したようにパティキュレートフィルタ８４の上流に配置された小孔９６の大きさは異なっており且つパティキュレートフィルタ８４の下流に配置された小孔９５の大きさも異なっている。より詳細には、パティキュレートフィルタ８４の上流に配置された小孔９６の大きさはタービンハウジング（排気管）の軸線と対応するパティキュレートフィルタ８４の軸線付近の領域（以降、中央領域と称す）からパティキュレートフィルタ８４の外周付近の領域（以降、周辺領域と称す）に向かうにつれて徐々に大きくなるようになっており、パティキュレートフィルタ８４の下流に配置された小孔９５の大きさもパティキュレートフィルタ８４の中央領域からからパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に向かうにつれて徐々に大きくなるようになっている。
【００８５】
次に、本発明の第２実施形態の利点について説明する。第一実施形態で説明したように小孔の大きさをほぼ均一にした場合、小孔がＳＯＦで詰まってしまうという問題がある。この問題について上述したのとは別の角度から検証してみる。
【００８６】
まず、パティキュレートフィルタの小孔の大きさとＳＯＦによる小孔の詰まりとの関係について説明する。小孔が設けられたパティキュレートフィルタでは一般に小孔を大きくすればするほど排気ガスが小孔を通過する流量が増加し、したがって排気ガスがパティキュレートフィルタの隔壁を通過する量は減少する。そのため小孔が大きい場合には、パティキュレートフィルタを通過した排気ガス中には多量の粒子状物質が残ってしまう。すなわち、単にパティキュレートフィルタの小孔全てを大きくすることはパティキュレートフィルタを通過した排気ガス中の粒子状物質の増加につながる。
【００８７】
逆に、小孔を小さくすればするほど排気ガスが小孔を通過する流量は減少して排気ガスがパティキュレートフィルタの隔壁を通過する量は増加し、パティキュレートフィルタを通った排気ガス中の粒子状物質は減少するが、小孔が小さいことにより上述したように小孔が詰まりやすくなってしまう。すなわち、単にパティキュレートフィルタの小孔全てを小さくすることはパティキュレートフィルタの小孔を詰まらせてしまうことにつながる。したがってパティキュレートフィルタの粒子状物質の除去能力を最大にするためには小孔が詰まってしまうことが無い程度に小孔を小さくすることが必要である。
【００８８】
次にパティキュレートフィルタの温度とＳＯＦによる小孔の詰まりとの関係について説明する。上述した粒子状物質の酸化反応は一般にパティキュレートフィルタの温度が高ければ高いほど促進される。すなわち、パティキュレートフィルタの温度が高ければ高いほどパティキュレートフィルタ上に付着した粒子状物質が除去されやすくなる。このためパティキュレートフィルタの温度が高いとパティキュレートフィルタの小孔は詰まりにくい。
【００８９】
ここで、パティキュレートフィルタの小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積をほぼ均一にした場合におけるパティキュレートフィルタの温度分布について考えてみる。一般にパティキュレートフィルタの温度はパティキュレートフィルタの中央領域よりもパティキュレートフィルタの周辺領域の方が低い。これには例えば以下のような二つの理由が考えられる。一つ目の理由はパティキュレートフィルタに流入した排気ガスがパティキュレートフィルタの中央領域を通りやすく且つパティキュレートフィルタの周辺領域を通りにくいため、高温の排気ガスによってパティキュレートフィルタの中央領域が暖められやすいことや、パティキュレートフィルタの中央領域で化学反応が起きやすく、その反応熱でパティキュレートフィルタの中央領域が暖められることにある。二つ目の理由はパティキュレートフィルタの外周面は温度の低い周囲の大気と接触しているため、パティキュレートフィルタの周辺領域からは熱が大気中に放出されてしまうことにある。
【００９０】
このようにパティキュレートフィルタの温度が中央領域と周辺領域とで異なると、これら領域間で粒子状物質の酸化能力が異なる。このことはパティキュレートフィルタの小孔の詰まりにも影響を及ぼす。すなわち温度の高いパティキュレートフィルタの中央領域に位置する小孔周りでは粒子状物質の酸化が促進されて小孔が詰まりにくく、一方、パティキュレートフィルタの周辺領域に位置する小孔周りでは粒子状物質の酸化が促進されずに詰まりやすい。このため小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積が均一である場合、パティキュレートフィルタの中央領域における粒子状物質の酸化能力に基づいて小孔が詰まってしまうことが無い程度に小孔が小さくなるように小孔の大きさを決定すると、パティキュレートフィルタの周辺領域の小孔が詰まってしまう。逆にパティキュレートフィルタの周辺領域における粒子状物質の酸化能力に基づいて小孔が詰まってしまうことが無い程度に小孔が小さくなるように小孔の大きさを決定すると、パティキュレートフィルタの中央領域に位置する小孔が必要以上に大きくなってしまい、パティキュレートフィルタを通過した排気ガス中の粒子状物質の増加につながってしまう。
【００９１】
ここで本発明の第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４では上述したように小孔９５、９６の大きさはパティキュレートフィルタ８４の中央領域からパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に向かうにつれて徐々に大きくなるようになっている。このためパティキュレートフィルタ８４の中央領域では小孔９５、９６が小さいことにより排気ガス中の粒子状物質の多くは周壁によって除去され、且つ小孔９５、９６周りの周壁の温度が高いことにより小孔９５、９６周りの周壁の粒子状物質の酸化能力が高く、よって小孔９５、９６が詰まってしまうことはない。またパティキュレートフィルタ８４の周辺領域ではこの領域に位置する小孔９５、９６が大きいことにより温度が低くても粒子状物質が小孔９５、９６に詰まってしまうことはない。したがって、第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４ではその酸化能力が最大限に活用されつつＳＯＦによる小孔９５、９６の詰まりがなくなる。
【００９２】
さらに第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４ではパティキュレートフィルタ８４を通過する排気ガスの流量の差が緩和される。このことについて以下に説明する。従来の小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積がほぼ均一であるパティキュレートフィルタについて考える。例えばパティキュレートフィルタを管径が一定である排気管内に配置すればパティキュレートフィルタ前面全体に亘って排気ガスの流れはほぼ均一となる。しかしながら、特に排気ガスが隔壁を通過するタイプのパティキュレートフィルタはそれ自体排気抵抗が大きいため、このパティキュレートフィルタを管径が一定である排気管内に配置すると圧損が非常に大きく（背圧が高く）なってしまい機関全体の出力低下をきたす。このため、一般にはパティキュレートフィルタの排気流通路の数を可能な限り多くして、すなわち排気ガスが通過する隔壁の表面積を可能な限り大きくして圧損の上昇を抑制している。この結果、パティキュレートフィルタのケーシングの直径は上流および下流の排気管の管径とは大きく異なるものとなる。排気管とパティキュレートフィルタのケーシングとはコーン部で極力滑らかに連結しようとしているが、上流の排気管から流入した排気ガスは、主としてパティキュレートフィルタの中央領域を通過し、周辺領域を通過しづらい。つまり、小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積がほぼ均一であるパティキュレートフィルタでは排気ガスの分配特性（排気ガス流れ特性）が不均一であり、パティキュレートフィルタの中央領域を通って流れる排気ガスの流量はパティキュレートフィルタの周辺領域を通って流れる排気ガスの流量より多い。
【００９３】
ところが本発明の第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４ではパティキュレートフィルタ８４の中央領域に位置する小孔９５、９６よりもパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に位置する小孔９５、９６の方が大きい。小孔の大きさが大きいほど排気ガスは流れやすくなるため、第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４では小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積がほぼ均一なパティキュレートフィルタよりもパティキュレートフィルタ８４の中央領域を通って流れる排気ガスの流量とパティキュレートフィルタ８４の周辺領域を通って流れる排気ガスの流量との差が緩和される。すなわち上述した小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積がほぼ均一なパティキュレートフィルタに比べて排気ガスがパティキュレートフィルタ８４の周辺領域へ流れやすくなり、排気ガスの分配特性がより均一になる。より詳細に説明すると、上述したように管径が異なることからパティキュレートフィルタに流入した排気ガスは中央領域に流れようとする。ところが周辺領域の小孔９５、９６の大きさを大きくしたことにより周辺領域の排気抵抗が小さくなっており、排気ガスは周辺領域にも流れやすくなっている。こうして排気ガスの分配特性がより均一となる。これにより排気ガスはパティキュレートフィルタ全体に亘ってより均一に流れるようになり、パティキュレートフィルタは偏り無く全体に亘って有効に活用されるようになる。
【００９４】
このようにパティキュレートフィルタ８４を通って流れる排気ガスがパティキュレートフィルタ８４へより均一に進入するようになることで、小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積がほぼ均一なパティキュレートフィルタに起きていたパティキュレートフィルタの温度差が緩和される。すなわちパティキュレートフィルタの中央領域を通過する排気ガスの流量とパティキュレートフィルタの周辺領域を通過する排気ガスの流量との差が緩和されることで、高温の排気ガスによってパティキュレートフィルタの中央領域だけでなく周辺領域も暖められるようになると共にパティキュレートフィルタの中央領域だけでなく周辺領域でも化学反応が起きて発熱する。これによりパティキュレートフィルタの周辺領域の小孔周りの温度が上昇し、パティキュレートフィルタの周辺領域の小孔が詰まりにくくなる。
【００９５】
このようにパティキュレートフィルタ８４の温度差が緩和されてより均一な温度になることには別の利点もある。パティキュレートフィルタ８４ではパティキュレートフィルタ８４全体に付着した粒子状物質の量が多くなったり、パティキュレートフィルタ８４にＳＯ₂が多量に吸収されたりすると、排気ガス中に燃料を噴射したりして意図的にパティキュレートフィルタ８４の温度を上げてパティキュレートフィルタ８４に付着した粒子状物質を酸化させる制御（以降、粒子状物質除去制御と称す）やパティキュレートフィルタ８４に吸収されたＳＯ₂を放出させる制御（以降、Ｓ被毒回復制御と称す）が行われることがある。このような制御を行う場合には、パティキュレートフィルタ８４を一定温度以上まで昇温させることが必須条件である。この時パティキュレートフィルタ８４に領域毎に温度差があると、温度の低い領域を上記一定温度以上まで上昇させなければならない。パティキュレートフィルタの温度の低い領域を一定温度まで上昇させた時にはパティキュレートフィルタの温度の高い領域は必要以上の高温になる。このようにパティキュレートフィルタが必要以上の温度になることは無駄なエネルギを消費することにつながり、また場合によってはパティキュレートフィルタを損傷させてしまう。
【００９６】
ここで第２実施形態のパティキュレートフィルタ８４では上記粒子状物質除去制御やＳ被毒回復制御を行った場合にもパティキュレートフィルタ８４の領域毎の温度差が小さい。このためパティキュレートフィルタ８４の各領域は必要以上の高温になることがなく、不必要な温度上昇によってパティキュレートフィルタ８４が損傷を受けることがなくなり、また無駄なエネルギの消費を抑えることができる。
【００９７】
以上のように、パティキュレートフィルタ８４の小孔９５、９６の大きさをパティキュレートフィルタ８４の中央領域からからパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に向かうにつれて徐々に大きくなるようにすることによって、パティキュレートフィルタ８４に温度差がある場合にパティキュレートフィルタ８４の酸化能力を最大限に活用しつつＳＯＦによる小孔９５、９６の詰まりをなくすことができるようになると同時に、パティキュレートフィルタ８４の温度差を緩和することができるようになる。したがって、小孔９５、９６の大きさは、パティキュレートフィルタ８４の温度差が緩和されることを考慮に入れて、緩和された温度差においてパティキュレートフィルタ８４の酸化能力を最大限に活用することができるような大きさにされる。
【００９８】
なお、上記第２実施形態ではパティキュレートフィルタ８４の小孔９５、９６の大きさはパティキュレートフィルタ８４の中央領域からからパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に向かうにつれて徐々に大きくなるようになっている。しかしながら、パティキュレートフィルタ８４の小孔９５、９６の大きさは徐々に大きくなっていなくてもよく、例えばパティキュレートフィルタ８４の中央領域からからパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に向かって例えば２段階や３段階に分かれて段階的に大きくなってもよい。
【００９９】
次に、図９を参照して本発明の第２実施形態の変更例について説明する。図９（Ａ）は第２実施形態の変更例のパティキュレートフィルタの端面図であり、図９（Ｂ）は第２実施形態の変更例のパティキュレートフィルタの縦断面図である。第２実施形態の変更例では第２実施形態と異なりパティキュレートフィルタ８４の小孔９５、９６の大きさはほぼ均一である。しかしながら第２実施形態の変更例では図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示したように排気ガス流入通路９０および排気ガス流出通路９１の流路断面積はパティキュレートフィルタ８４の中央領域から周辺領域に向かって、すなわちパティキュレートフィルタ８４の中央領域からパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に向かって徐々に大きくなる。
【０１００】
以下、第２実施形態の変更例の利点について説明する。第２実施形態の変更例では上述した第２実施形態と同様にパティキュレートフィルタ８４を通って流れる排気ガスの流量の差が緩和される。すなわち第２実施形態の変更例のパティキュレートフィルタ８４ではパティキュレートフィルタ８４の中央領域に位置する排気ガス流入通路９０および排気ガス流出通路９１の流路断面積よりもパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に位置する排気ガス流入通路９０および排気ガス流出通路９１の流路断面積の方が大きいことにより、小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積がほぼ均一なパティキュレートフィルタよりもパティキュレートフィルタ８４の中央領域を通過する排気ガスの流量とパティキュレートフィルタ８４の周辺領域を通過する排気ガスの流量との差が緩和される。すなわちパティキュレートフィルタ８４を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ８４へより均一に進入するようになり、パティキュレートフィルタ８４に流入する排気ガスの分配特性がより均一になる。
【０１０１】
このようにパティキュレートフィルタ８４を通過する排気ガスがパティキュレートフィルタ８４へより均一に進入するようになったことで、小孔の大きさおよび排気流通路の流路断面積がほぼ均一なパティキュレートフィルタに起きていたパティキュレートフィルタの温度差が緩和される。すなわちパティキュレートフィルタの中央領域を通過する排気ガスの流量とパティキュレートフィルタの周辺領域を通過する排気ガスの流量との差が緩和されることで、高温の排気ガスによってパティキュレートフィルタの中央領域だけでなく周辺領域も暖められるようになると共にパティキュレートフィルタの中央領域だけでなく周辺領域でも化学反応が起きて発熱する。これによりパティキュレートフィルタの周辺領域の小孔周りの温度が上昇し、パティキュレートフィルタの周辺領域の小孔が詰まりにくくなる。
【０１０２】
また第２実施形態の変更例では上述した第２実施形態と同様にパティキュレートフィルタ８４の温度差が緩和されてより均一な温度になることよって、パティキュレートフィルタ８４の温度が一定温度以上まで上昇することが必須条件である粒子状物質除去制御やＳ被毒回復制御を行う場合に、パティキュレートフィルタ８４の各領域が上記一定温度以上の高温になることがなくなる。よって不必要な温度上昇によってパティキュレートフィルタ８４が損傷を受けることがなくなり、また無駄なエネルギの消費を抑えることができるようになる。
【０１０３】
なお、本発明では第２実施形態と第２実施形態の変更例を組み合わせて用いてもよい。すなわちパティキュレートフィルタ８４の小孔９５、９６の大きさをパティキュレートフィルタ８４の中央領域からからパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に向かうにつれて徐々に大きくなるようにすると共にパティキュレートフィルタ８４の中央領域に位置する排気ガス流入通路９０および排気ガス流出通路９１の流路断面積よりもパティキュレートフィルタ８４の周辺領域に位置する排気ガス流入通路９０および排気ガス流出通路９１の流路断面積の方が大きくなるようにしてもよい。こうすることにより、上記第２実施形態の利点と第２実施形態の変更例の利点とを組み合わせることができるようになり、パティキュレートフィルタ８４の温度分布をより均一にすることができるようになる。
【０１０４】
【発明の効果】
第１の発明によれば、酸化手段を通過してパティキュレートフィルタに流入する排気ガス中のＳＯＦは低減されているかまたは除去されているため、パティキュレートフィルタの小孔が排気ガス中のＳＯＦによって詰まることがほとんどなくなる。
【０１０５】
第４の発明によれば、ＳＯＦは小孔周りに堆積せずに通過するようになることにより小孔が排気ガス中のＳＯＦによって詰まることがほとんどなくなる。また、パティキュレートフィルタの端面部分の温度分布がより均一になることにより、パティキュレートフィルタを一定温度以上まで昇温させることが必要になった場合にパティキュレートフィルタが部分的に一定温度以上になってしまうことが防止される。
【０１０６】
第５の発明によれば、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの分配特性がほぼ均一になることにより、排気ガスがパティキュレートフィルタ全面に亘ってより均一に流れるようになり、パティキュレートフィルタが有効に活用されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の排気浄化装置を搭載した内燃機関を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態において用いられるパティキュレートフィルタを示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態において用いられるパティキュレートフィルタの一部を示す図である。
【図４】従来のパティキュレートフィルタを示す図である。
【図５】粒子状物質の酸化作用を説明するための図である。
【図６】粒子状物質の堆積作用を説明するための図である。
【図７】本発明の第２実施形態の排気浄化装置を搭載した内燃機関を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態において用いられるパティキュレートフィルタを示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態の変更例において用いられるパティキュレートフィルタを示す図である。
【符号の説明】
２２…酸化触媒
２３…ケーシング
２４…パティキュレートフィルタ
２５…ケーシング
５０…排気ガス流入通路
５１…排気ガス流出通路
５２…下流側テーパ壁
５３…上流側テーパ壁
５４…隔壁
５５、５６…小孔

Claims

排気ガス中の粒子状物質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おり、上記通路の端部開口が隔壁の上記細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い孔径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結合されている排気浄化装置において、
上記パティキュレートフィルタの小孔の孔径が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた径とされており、小孔周りの隔壁の温度が低い領域では大きい径とされ、小孔周りの隔壁の温度が高い領域では小さい径とされている排気浄化装置。
上記パティキュレートフィルタの周辺領域にある通路の小孔の孔径が上記パティキュレートフィルタの中央領域にある通路の小孔の孔径より大きくなるようにした請求項１に記載の排気浄化装置。
上記パティキュレートフィルタの通路の流路断面積が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた断面積とされており、隔壁の温度が低い領域では大きい断面積とされ、隔壁の温度が高い領域では小さい断面積とされている請求項１または２に記載の排気浄化装置。
排気ガス中の粒子状物質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おり、上記通路の端部開口が隔壁の上記細孔径よりも大きいが通路の流路断面積よりも狭い孔径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結合されている排気浄化装置において、
上記パティキュレートフィルタの通路の流路断面積が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた断面積とされており、隔壁の温度が低い領域では大きい断面積とされ、隔壁の温度が高い領域では小さい断面積とされており、
上記パティキュレートフィルタの周辺領域にある通路の流路断面積が上記パティキュレートフィルタの中央領域にある通路の流路断面積より大きくなるようにされており、
上記パティキュレートフィルタの小孔の孔径が使用時におけるパティキュレートフィルタの端面部分の温度分布に応じた径とされており、小孔周りの隔壁の温度が低い領域では大きい径とされ、小孔周りの隔壁の温度が高い領域では小さい径とされている排気浄化触媒。