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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(54)【発明の名称】排気浄化フィルタ
(51)【国際特許分類】
F01N 3/022 20060101AFI20241008BHJP
F01N 3/035 20060101ALI20241008BHJP
【ＦＩ】
F01N3/022 C
F01N3/035 A
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021511370
(86)(22)【出願日】2020-03-13
(86)【国際出願番号】 JP2020011275
(87)【国際公開番号】W WO2020203198
(87)【国際公開日】2020-10-08
【審査請求日】2021-09-27
【審判番号】
【審判請求日】2023-06-19
(31)【優先権主張番号】PCT/JP2019/014004
(32)【優先日】2019-03-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106002
【弁理士】
【氏名又は名称】正林 真之
(74)【代理人】
【識別番号】100120891
【弁理士】
【氏名又は名称】林 一好
(74)【代理人】
【識別番号】100160794
【弁理士】
【氏名又は名称】星野 寛明
(72)【発明者】
【氏名】関 千晶
(72)【発明者】
【氏名】今井 裕介
(72)【発明者】
【氏名】古川 敦史
(72)【発明者】
【氏名】松尾 雄一
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 尚宏
【合議体】
【審判長】山本 信平
【審判官】河端 賢
【審判官】青木 良憲
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－８２７４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－４１９３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５０５３６５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
F01N 3/022
F01N 3/035
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、排気の流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルが多孔質の隔壁により区画形成され、且つ、前記流出側端面における開口が目封じされた流入側セルと、前記流入側端面における開口が目封じされた流出側セルと、が交互に配置されたフィルタ基材と、
前記隔壁に担持された排気浄化触媒と、を備え、
前記フィルタ基材の体積基準によるメジアン気孔径（Ｄ５０）は、２０μｍよりも大きく、
前記フィルタ基材の気孔分布の半値幅は、７μｍ～１５μｍであり、
前記排気浄化触媒は、前記排気浄化触媒の密度が相対的に高い高密度層と、前記排気浄化触媒の密度が相対的に低い低密度層と、に偏在して担持され、
前記高密度層は、前記隔壁を厚み方向に均等に４層に分割したときの前記４層のうち、前記隔壁内に流入した排気が流出する前記隔壁の出口側に最も近い層であり、
前記高密度層には、一つの前記隔壁における前記排気浄化触媒の全担持量のうちの５０質量％以上の排気浄化触媒が配置される、排気浄化フィルタ。
【請求項2】
前記フィルタ基材の気孔分布の半値幅は、７μｍ～９μｍである、請求項１に記載の排気浄化フィルタ。
【請求項3】
前記フィルタ基材の気孔率は、６３％以上である、請求項１または２に記載の排気浄化フィルタ。
【請求項4】
前記排気浄化触媒は、酸素吸放出材に担持される、請求項１から３いずれかに記載の排気浄化フィルタ。
【請求項5】
前記排気浄化触媒は、三元触媒であり、前記排気浄化フィルタは、ＧＰＦである、請求項１から４いずれかに記載の排気浄化フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気浄化触媒を備える排気浄化フィルタに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、自動車等に搭載されるガソリンエンジンにおいて、燃焼効率の向上等の観点から、直噴ガソリンエンジンの採用が進められている。ところが、この直噴ガソリンエンジンでは、ＰＭ等の粒子状物質がポートインジェクション（ＰＩ）エンジンよりも多く排出されるため、近年のエミッション規制（ＰＭ排出規制、ＰＮ（排出微粒子の粒子数）規制）の強化に伴って、ガソリンエンジンの排気通路に粒子状物質を捕捉する排気浄化フィルタ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ、以下「ＧＰＦ」という。）を設ける技術の検討が進められている。
【0003】
また、ガソリンエンジンの排気通路には、排気中に含まれるＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを浄化する三元触媒（以下、「ＴＷＣ」という。）が、ハニカム支持体に担持された状態で設けられる。特に近年では、触媒浄化の要求性能を満たすために複数のＴＷＣが直列に排気通路に配置される。そのため、これら複数のＴＷＣに加え、ＧＰＦを新たに排気通路に設けるのは、圧力損失やコストの観点から好ましくない。
【0004】
そこで、ＧＰＦにＴＷＣを担持させ、粒子状物質捕捉性能に加えて三元浄化機能をＧＰＦに付与する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１７－０８２７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、所望の粒子状物質捕捉性能を得るためには、ＧＰＦを構成するフィルタ基材として気孔径の小さいものを用いる必要があり、その場合には圧損が上昇して出力の低下を招くという課題があった。さらにこの課題は、走行距離が延びるほど、オイル由来のアッシュ（Ａｓｈ、灰）等の粒子状物質が排気浄化フィルタに多く捕捉されるため、より顕著であった。
【0007】
また、触媒をコートすることにより粒子状物質捕捉性能を向上させる手法もあるが、従来の気孔径のフィルタ基材への触媒担持では、上述の圧損の観点からＧＰＦに担持する触媒量が制限され、排気浄化性能も従来のＴＷＣほど期待できなかった。即ち、圧損と、排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能は、互いにトレードオフの関係にあった。
【0008】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧損を低減できるとともに、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を有する排気浄化フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
（１） 上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管３）に設けられ、前記内燃機関の排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する排気浄化フィルタであって、排気の流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルが多孔質の隔壁（例えば、後述の隔壁３２３）により区画形成され、且つ、前記流出側端面における開口が目封じされた流入側セルと、前記流入側端面における開口が目封じされた流出側セルと、が交互に配置されたフィルタ基材（例えば、後述のフィルタ基材３２０）と、前記隔壁に担持された排気浄化触媒（例えば、後述のＴＷＣ３３）と、を備え、前記フィルタ基材の体積基準によるメジアン気孔径（Ｄ５０）は、１８μｍ以上であり、前記フィルタ基材の気孔分布の半値幅は、７μｍ～１５μｍであり、前記排気浄化触媒は、前記排気浄化触媒の密度が相対的に高い高密度層（例えば、後述の高密度層３３１）と、前記排気浄化触媒の密度が相対的に低い低密度層（例えば、後述の低密度層３３２）と、に偏在して担持される、排気浄化フィルタ（例えば、後述のＧＰＦ３２）を提供する。
【0010】
（１）の発明では、所謂ウォールフロー型のフィルタ基材に排気浄化触媒が担持された排気浄化フィルタにおいて、フィルタ基材のメジアン気孔径が比較的大きい１８μｍ以上であるとともに、フィルタ基材に担持される排気浄化触媒が、相対的に密度が高い層と低い層とに偏在して配置される。
（１）の発明によれば、気孔径が比較的大きい気孔を有する隔壁の厚み方向の一部に、排気浄化触媒が層状且つ高密度に配置された高密度層を有するため、排気の流路が十分確保されるとともに、排気の流れの均一性が確保される結果、圧損の上昇を許容範囲内に抑制することができる。
ここで、粒子状物質による初期の圧損上昇と、粒子状物質堆積後の圧損上昇とは相関関係にあることが本出願人により見出されている。即ち、粒子状物質による初期の圧損上昇を抑制できれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減できる。この点、上述した（１）の発明の圧損上昇抑制効果は、初期の段階から発揮されるため、（１）の発明によれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減することができる。
（１）の発明によれば、気孔径が比較的大きい気孔を有する隔壁の厚み方向の一部に、排気浄化触媒が層状且つ高密度に配置された高密度層を有するため、排気の流路が十分確保されるとともに、排気の流れの均一性が確保される結果、圧損の上昇を許容範囲内に抑制することができる。
ここで、粒子状物質による初期の圧損上昇と、粒子状物質堆積後の圧損上昇とは相関関係にあることが本出願人により見出されている。即ち、粒子状物質による初期の圧損上昇を抑制できれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減できる。この点、上述した（１）の発明の圧損上昇抑制効果は、初期の段階から発揮されるため、（１）の発明によれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減することができる。
【0011】
また、（１）の発明によれば、排気浄化触媒が隔壁の厚み方向の一部に層状且つ高密度に配置された高密度層を有するため、高密度に配置された排気浄化触媒によって狭められた流路を排気が確実に通過することとなり、高い粒子状物質の捕捉性能と高い排気浄化性能が得られる。
従って、（１）の発明によれば、粒子状物質による初期の圧損上昇を抑制することができ、粒子状物質堆積後の圧損を低減できる。ひいては、排気浄化触媒の担持量を制限することなく圧損を低減できるため、圧損を低減できるとともに、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を有する排気浄化フィルタを提供できる。
従って、（１）の発明によれば、粒子状物質による初期の圧損上昇を抑制することができ、粒子状物質堆積後の圧損を低減できる。ひいては、排気浄化触媒の担持量を制限することなく圧損を低減できるため、圧損を低減できるとともに、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を有する排気浄化フィルタを提供できる。
【0012】
さらには、（１）の発明では、フィルタ基材の気孔分布におけるピークの半値幅が７μｍ～１５μｍである。即ち、（１）の発明に係る排気浄化フィルタは、気孔径が大きく、気孔分布の半値幅が狭い。これにより、フィルタ基材に排気浄化触媒を担持する際に、排気浄化触媒を含むスラリーが毛細管現象によって気孔径の小さい気孔に優先的に流入することによって、該気孔が塞がれることを抑制できる。そのため、触媒担持後においても隔壁内の排気の流路の減少を抑制でき、触媒担持後の圧損上昇をより抑制できる排気浄化フィルタを提供できる。また、流路数が多いことにより、粒子状物質を含む排気と排気浄化触媒との接触確率が上がるため、より高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を有する排気浄化フィルタを提供できる。
【0013】
（２） （１）の排気浄化フィルタにおいて、前記高密度層は、前記隔壁の外表面上に配置されてもよい。
【0014】
（２）の発明では、排気浄化触媒が高密度に配置された高密度層が、隔壁の外表面（排気の入口側表面及び出口側表面）上に配置される。これにより、排気浄化触媒によって隔壁内の気孔の気孔径が狭まることを抑制できるため、排気の流路をより十分に確保できる。従って、（２）の発明によれば、圧損をより低減できるとともに、より高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を有する排気浄化フィルタを提供できる。
【0015】
（３） （１）又は（２）の排気浄化フィルタにおいて、前記高密度層には、一つの前記隔壁における前記排気浄化触媒の全担持量のうちの５０質量％以上の排気浄化触媒が配置されてもよい。
【0016】
（３）の発明では、一つの隔壁に担持される排気浄化触媒のうちの５０質量％以上が、隔壁の外表面上の高密度層に配置される。これにより、（１）、（２）の発明の効果がより高められる。
【0017】
（４） （１）から（３）いずれかの排気浄化フィルタにおいて、前記高密度層は、前記隔壁に流入した排気が流出する前記隔壁の出口側の外表面上に配置されてもよい。
【0018】
（４）の発明では、排気浄化触媒が高密度に配置された高密度層が、隔壁の出口側の外表面上に配置される。これにより、入口側の外表面上に高密度層が配置される場合と比べて、入口側の気孔の気孔径が大きいまま維持されるため、気流層から隔壁内に排気が流入する際の圧損上昇を抑制できる。また、排気が流出する隔壁の出口側では、排気と排気浄化触媒との接触確率が上がるため、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を併せ持つ排気浄化フィルタを提供できる。
【0019】
（５） （１）の排気浄化フィルタにおいて、前記高密度層は、前記隔壁内に配置されてもよい。
【0020】
（５）の発明では、排気浄化触媒が高密度に配置された高密度層が、隔壁内に配置される。これにより、隔壁内の厚み方向の一部に高密度層が配置されるため、高密度に配置された排気浄化触媒によって隔壁内の流路（気孔径）が狭められる結果、狭められた流路を排気がより確実に通過することとなり、より高い粒子状物質の捕捉性能と排気浄化性能が得られる。
【0021】
（６） （５）の排気浄化フィルタにおいて、前記高密度層は、前記隔壁を厚み方向に均等に４層に分割したときの前記４層のうちのいずれかの層であり、前記高密度層には、一つの前記隔壁における前記排気浄化触媒の全担持量のうちの５０質量％以上の排気浄化触媒が配置されてもよい。
【0022】
（６）の発明では、隔壁を厚み方向に４分割した時の４層のうちのいずれかが高密度層であり、該高密度層には、一つの隔壁に担持される排気浄化触媒のうちの５０質量％以上が配置される。これにより、（１）、（５）の発明の効果がより高められる。
【0023】
（７） （６）の排気浄化フィルタにおいて、前記高密度層は、前記４層のうち、前記隔壁内に流入した排気が流出する前記隔壁の出口側に最も近い層であってもよい。
【0024】
（７）の発明では、排気浄化触媒が高密度に配置された高密度層が、最も隔壁の出口側に配置される。これにより、隔壁の入口側に高密度層が配置される場合と比べて、入口側の気孔の気孔径が大きいまま維持されるため、気流層から隔壁内に排気が流入する際の圧損上昇を抑制できる。また、排気が流出する隔壁の出口側では、排気と排気浄化触媒との接触確率が上がるため、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を併せ持つ排気浄化フィルタを提供できる。
【0025】
（８） （１）から（７）いずれかの排気浄化フィルタにおいて、前記フィルタ基材の気孔分布の半値幅は、７μｍ～９μｍであってもよい。
【0026】
（８）の発明では、フィルタ基材の気孔分布におけるピークの半値幅が７μｍ～９μｍである。これにより、（１）～（７）の発明の効果がより高められる。
【0027】
（９） （１）から（８）いずれかの排気浄化フィルタにおいて、前記フィルタ基材の気孔率は、６３％以上であってもよい。
【0028】
（９）の発明では、フィルタ基材の気孔率が６３％以上である。これにより、排気の流路がより十分に確保されるため、（１）～（８）の発明の効果がより高められる。
【0029】
（１０） （１）から（９）いずれかの排気浄化フィルタにおいて、前記フィルタ基材の体積基準によるメジアン気孔径（Ｄ５０）は、２０μｍ以上であってもよい。
【0030】
（１０）の発明では、フィルタ基材の体積基準によるメジアン気孔径（Ｄ５０）が２０μｍ以上である。これにより、（１）～（９）の発明の効果がより高められる。
【0031】
（１１） （１）から（１０）いずれかの排気浄化フィルタにおいて、前記排気浄化触媒は、三元触媒であり、前記排気浄化フィルタは、ＧＰＦであってもよい。
【0032】
（１１）の発明では、（１）～（１０）の排気浄化フィルタをＧＰＦに適用し、排気浄化触媒として三元触媒を用いる。これにより、圧損を低減しつつ、排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ及び粒子状物質を高い浄化率で浄化できる。
【発明の効果】
【0033】
本発明によれば、圧損を低減できるとともに、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能を有する排気浄化フィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図2】上記実施形態に係るＧＰＦの断面模式図である。
【図3A】上記実施形態に係るフィルタ基材の気孔分布の一例を示す図である。
【図4A】上記実施形態に係るＧＰＦの断面画像の一例を示す図である。
【図4B】上記実施形態に係るＧＰＦの断面画像の他の例を示す図である。
【図5】実施例１に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図6】実施例２に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図7】実施例３に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図8】実施例４に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図9】実施例５に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図10】実施例６に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図11】実施例７に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図12】実施例８に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図13】実施例９に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図14】比較例１に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図15】比較例２に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図16】比較例３に係るＧＰＦの断面画像図である。
【図17】実施例１～９及び比較例１～３に係るＧＰＦの実車における粒子状物質の捕集効率とＡｓｈ堆積後の圧損との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0036】
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という。）１の排気浄化装置２の構成を示す図である。
エンジン１は、直噴方式のガソリンエンジンである。図１に示すように、排気浄化装置２は、排気が流通する排気管３の上流側から順に設けられた、ＴＷＣ３１と、排気浄化フィルタとしてのＧＰＦ３２と、を備える。
エンジン１は、直噴方式のガソリンエンジンである。図１に示すように、排気浄化装置２は、排気が流通する排気管３の上流側から順に設けられた、ＴＷＣ３１と、排気浄化フィルタとしてのＧＰＦ３２と、を備える。
【0037】
ＴＷＣ３１は、排気中のＨＣをＨ２ＯとＣＯ２に、ＣＯをＣＯ２に、ＮＯｘをＮ２にそれぞれ酸化又は還元することで浄化する。ＴＷＣ３１は、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ゼオライト等の酸化物からなる担体に、触媒金属としてＰｄやＲｈ等の貴金属を担持させたものが用いられる。このＴＷＣ３１は、通常、ハニカム支持体上に担持される。
【0038】
また、ＴＷＣ３１は、ＯＳＣ能を有するＯＳＣ材を含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２の他、ＣｅＯ２とＺｒＯ２の複合酸化物（以下、「ＣｅＺｒ複合酸化物」という。）等が用いられる。中でも、ＣｅＺｒ複合酸化物は、高い耐久性を有するため好ましく用いられる。なお、これらＯＳＣ材に、上記触媒金属が担持されていてもよい。
【0039】
ＴＷＣ３１の調製方法については特に限定されず、従来公知のスラリー法等により調製される。例えば、上記の酸化物、貴金属、ＯＳＣ材等を含むスラリーを調製後、調製したスラリーをコージェライト製ハニカム支持体にコートして焼成することにより調製される。
【0040】
ＧＰＦ３２は、排気中の粒子状物質を捕捉して浄化する。具体的には、後述する隔壁内の微細な細孔を排気が通過する際に、隔壁の表面に粒子状物質が堆積することで、粒子状物質を捕捉する。
【0041】
ここで、本明細書における粒子状物質には、すす（カーボンスート）、オイルの燃え残り（ＳＯＦ）、オイルの燃え滓であるアッシュ（Ａｓｈ、灰）、ＰＭ等の粒子状物質が含まれる。近年では、これら粒子状物質の排出規制が厳格化されてきており、これら粒子状物質の総排出重量（ｇ／ｋｍ、ｇ／ｋＷ）の規制（ＰＭ規制）だけでなく、例えばＰＭ２．５等の粒子径２．５μｍ以下の小さな粒子状物質の排出個数が規制（ＰＮ規制）されるようになってきている。これに対して、本実施形態に係るＧＰＦ３２は、これらＰＭ規制やＰＮ規制に対応可能なものである。
【0042】
図２は、本実施形態に係るＧＰＦ３２の断面模式図である。
図２に示すように、ＧＰＦ３２は、フィルタ基材３２０と、フィルタ基材３２０の隔壁３２３に担持された排気浄化触媒（本実施形態ではＴＷＣ３３）と、を備える。
フィルタ基材３２０は、例えば軸方向に長い円柱形状であり、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の多孔質体により形成される。フィルタ基材３２０には、流入側端面３２ａから流出側端面３２ｂまで延びる複数のセルが設けられ、これらセルは隔壁３２３により区画形成される。
図２に示すように、ＧＰＦ３２は、フィルタ基材３２０と、フィルタ基材３２０の隔壁３２３に担持された排気浄化触媒（本実施形態ではＴＷＣ３３）と、を備える。
フィルタ基材３２０は、例えば軸方向に長い円柱形状であり、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の多孔質体により形成される。フィルタ基材３２０には、流入側端面３２ａから流出側端面３２ｂまで延びる複数のセルが設けられ、これらセルは隔壁３２３により区画形成される。
【0043】
フィルタ基材３２０は、流入側端面３２ａにおける開口を目封じする流入側目封じ部３２４を備える。流入側目封じ部３２４によって流入側端面３２ａにおける開口が目封じされたセルは、流入側端部が閉塞している一方で流出側端部が開口し、隔壁３２３内を通過した排気を下流へ流出させる流出側セル３２２を構成する。
流入側目封じ部３２４は、フィルタ基材３２０の流入側端面３２ａから目封じ用セメントを封入することで形成される。
流入側目封じ部３２４は、フィルタ基材３２０の流入側端面３２ａから目封じ用セメントを封入することで形成される。
【0044】
フィルタ基材３２０は、流出側端面３２ｂにおける開口を目封じする流出側目封じ部３２５を備える。流出側目封じ部３２５によって流出側端面３２ｂにおける開口が目封じされたセルは、流入側端部が開口する一方で流出側端部が閉塞しており、排気管３から排気が流入する流入側セル３２１を構成する。
流出側目封じ部３２５は、フィルタ基材３２０の流出側端面３２ｂから目封じ用セメントを封入することで形成される。
流出側目封じ部３２５は、フィルタ基材３２０の流出側端面３２ｂから目封じ用セメントを封入することで形成される。
【0045】
なお、セルの流入側端面３２ａにおける開口と、流出側端面３２ｂにおける開口とが互い違いに目封じされることで、流出側端面３２ｂにおける開口が目封じされた流入側セル３２１と、流入側端面３２ａにおける開口が目封じされた流出側セル３２２と、が交互に配置されている。より詳しくは、流入側セル３２１と流出側セル３２２とは、互いに格子状（市松状）に隣接して配置されている。
【0046】
図２中に矢印で示すように、流入側セル３２１に流入した排気は、気流層から隔壁３２３内に流入した後、隔壁３２３内を通過して流出側セル３２２へと流出する。排気が隔壁３２３に流入する側が入口側（Ｉｎｌｅｔ）であり、排気が隔壁３２３から流出する側が出口側（Ｏｕｔｌｅｔ）である。
【0047】
図３Ａは、本実施形態に係るフィルタ基材３２０の気孔分布の一例を示す図である。この気孔分布は、Ｈｇポロシメータにより測定される。図３Ａ中、横軸は気孔径（μｍ）を表しており、縦軸はＬｏｇ微分気孔容積分布ｄＶ／ｄ（ｌｏｇＤ）（ｍｌ／ｇ）を表している。図３Ａから明らかであるように、フィルタ基材３２０の体積基準によるメジアン気孔径（Ｄ５０）は、１８μｍ以上である。より好ましくは、２０μｍ以上である。
【0048】
即ち、本実施形態のフィルタ基材３２０は、メジアン気孔径が１８μｍ以上と比較的大きい気孔を有する。これにより、隔壁３２３内に流入する排気の流路が十分に確保される。特に、後述するように本実施形態では排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）の担持位置を工夫することにより、フィルタ基材３２０中の気孔の気孔径が排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）によって狭められる（塞がれる）ことが抑制されているため、排気の流路が十分に確保される結果、圧損を低減することができる。
【0049】
図３Ｂは、図３Ａの最大Ｌｏｇ微分気孔容積分布ｄＶ／ｄ（ｌｏｇＤ）（ｍｌ／ｇ）を１００として規格化し、プロットした図である。図３Ｂ中で表現された半値幅は、気孔分布のピークのシャープ度合いを表す指標である。本実施形態に係るフィルタ基材３２０では、この半値幅は、７～１５μｍであることが好ましい。より好ましい半値幅は、７～９μｍである。
【0050】
即ち、本実施形態のフィルタ基材３２０は、気孔径が大きく、気孔分布の半値幅が狭い。半値幅が７～１５μｍであることにより、フィルタ基材３２０に排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）を担持する際に、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）を含むスラリーが毛細管現象によって気孔径の小さい気孔に優先的に流入することによって、該気孔が塞がれることを抑制できる。そのため、触媒担持後においても隔壁３２３内の排気の流路の減少を抑制でき、触媒担持後の圧損上昇をより抑制できるＧＰＦ３２を提供できる。また、流路数が多いことにより、粒子状物質を含む排気と排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）との接触確率が上がるため、より高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能が得られる。
【0051】
フィルタ基材３２０の気孔率は、６３％以上であることが好ましい。フィルタ基材３２０の気孔率が６３％以上であれば、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）を担持させたときに圧損が急激に悪化するのを抑制できる。
【0052】
図４Ａは、本実施形態に係るＧＰＦ３２の断面画像の一例を示す図である。図３Ａ中、白色部分がフィルタ基材３２０、黒色部分が気孔、灰色部分が排気浄化触媒としてのＴＷＣ（三元触媒）３３をそれぞれ表している。また、図３Ａの上側が隔壁３２３の入口側（Ｉｎｌｅｔ）であり、下側が隔壁３２３の出口側（Ｏｕｔｌｅｔ）である。なお、これらの表記については、後述する画像図全てにおいて同様である。
【0053】
図４Ａに示す一例では、隔壁３２３の出口側から厚み方向２５％に位置する層（隔壁３２３を厚み方向に均等に、厚みＴずつ４分割したときの４層のうち最も出口側に位置する層）に、ＴＷＣ３３が高密度に担持された高密度層３３１が配置されている。このように、本実施形態のＧＰＦ３２では、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）が、密度が相対的に高い高密度層３３１と、密度が相対的に低い低密度層３３２と、に偏在して担持されている。
【0054】
このように、本実施形態のＧＰＦ３２は、気孔径が比較的大きい気孔を有する隔壁３２３の厚み方向の一部に、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）が層状且つ高密度に配置された高密度層３３１を有するため、排気の流路が十分確保されるとともに、排気の流れの均一性が確保される結果、圧損の上昇を許容範囲内に抑制することができる。
ここで、粒子状物質による初期の圧損上昇と、粒子状物質堆積後の圧損上昇とは相関関係にあることが本出願人により見出されている。即ち、粒子状物質による初期の圧損上昇を抑制できれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減できる。この点、上述の圧損上昇抑制効果は、初期の段階から発揮されるため、本実施形態によれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減することができる。
ここで、粒子状物質による初期の圧損上昇と、粒子状物質堆積後の圧損上昇とは相関関係にあることが本出願人により見出されている。即ち、粒子状物質による初期の圧損上昇を抑制できれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減できる。この点、上述の圧損上昇抑制効果は、初期の段階から発揮されるため、本実施形態によれば、粒子状物質堆積後の圧損上昇を低減することができる。
【0055】
また、本実施形態によれば、高密度に配置された排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）によって狭められた流路を排気が確実に通過することとなり、高い粒子状物質の捕捉性能と高い排気浄化性能が得られる。従って、本実施形態によれば、粒子状物質による初期の圧損上昇を抑制することができ、粒子状物質堆積後の圧損を低減できる。ひいては、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）の担持量を制限することなく圧損を低減できるため、圧損を低減できるとともに、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能が得られる。
【0056】
また、図４Ａに示す一例のように、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）が高密度に配置された高密度層３３１が、最も隔壁３２３の出口側に配置されることにより、隔壁３２３の入口側に高密度層が配置される場合と比べて、入口側の気孔の気孔径が大きいまま維持されるため、気流層から隔壁３２３内に排気が流入する際の圧損上昇を抑制できる。また、排気が流出する隔壁３２３の出口側では、排気と排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）との接触確率が上がるため、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能が得られる。ただし、高密度層３３１の配置はこれに限定されず、４分割した４層のうちのいずれに高密度層を配置してもよい。
【0057】
次に、図４Ｂは、本実施形態に係るＧＰＦ３２の断面画像の他の例を示す図である。図４Ｂに示す他の例では、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）が層状且つ高密度に配置された高密度層３３１が、隔壁３２３内ではなく、隔壁３２３の外表面上に配置されている。より詳しくは、隔壁３２３の出口側の外表面上に高密度層３３１が配置されている。
【0058】
図４Ｂに示す他の例では、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）によって隔壁３２３内の気孔の気孔径が狭まることを抑制できるため、排気の流路をより十分に確保できる。従って、圧損をより低減できるとともに、より高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能が得られる。また、排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）が高密度に配置された高密度層３３１が、隔壁３２３の出口側の外表面上に配置される。これにより、入口側の外表面上に高密度層が配置される場合と比べて、入口側の気孔の気孔径が大きいまま維持されるため、気流層から隔壁３２３内に排気が流入する際の圧損上昇を抑制できる。また、排気が流出する隔壁３２３の出口側では、排気と排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）との接触確率が上がるため、高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能が得られる。ただし、高密度層３３１を入口側の外表面上に配置してもよい。
【0059】
上述の各高密度層３３１には、一つの隔壁３２３における排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）の全担持量のうちの５０質量％以上の排気浄化触媒（ＴＷＣ３３）が配置されることが好ましい。これにより、上述の各効果がより確実に発揮され、圧損をより低減できるとともに、より高い排気浄化性能及び粒子状物質捕捉性能が得られる。
【0060】
ＴＷＣ３３は、上述のＴＷＣ３１と同様に、排気中のＨＣをＨ２ＯとＣＯ２に、ＣＯをＣＯ２に、ＮＯｘをＮ２にそれぞれ酸化又は還元することで浄化する。ＴＷＣ３３は、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ゼオライト等の酸化物からなる担体に、触媒金属としてＰｄやＲｈ等の貴金属を担持させたものが用いられる。
【0061】
また、ＴＷＣ３３は、ＯＳＣ材（酸素吸放出材）を含む。ＯＳＣ材としては、ＣｅＯ２の他、ＣｅＯ２とＺｒＯ２の複合酸化物（以下、「ＣｅＺｒ複合酸化物」という。）等が用いられる。中でも、ＣｅＺｒ複合酸化物は、高い耐久性を有するため好ましく用いられる。なお、これらＯＳＣ材に、上記触媒金属が担持されていてもよい。上述のＴＷＣの触媒作用を同時に有効に生じさせるためには、燃料と空気の比（以下「空燃比」という。）を完全燃焼反応における化学量論比（以下「ストイキ」という。）近傍に保つことが好ましいところ、酸化雰囲気下で酸素を吸蔵し、還元雰囲気下で酸素を放出する酸素吸蔵放出能を有するＯＳＣ材を助触媒として触媒金属とともに用いることにより、より高い触媒浄化性能が得られる。
【0062】
ＴＷＣ３３の調製方法については特に限定されず、従来公知のスラリー法等により調製される。例えば、上記の酸化物、貴金属、ＯＳＣ材等を含むスラリーをミリングして調製した後、調製したスラリーをフィルタ基材３２０にコートして焼成することにより調製される。
【0063】
上述の構成を有するＴＷＣ３３のウォッシュコート量は、好ましくは３０～１５０ｇ／Ｌである。ＴＷＣ３３のウォッシュコート量がこの範囲内であれば、圧損上昇を低減しつつ高い触媒浄化性能及び粒子状物質捕捉性能が得られる。
なお本実施形態では、ＴＷＣ３３には触媒金属として他の貴金属、例えばＰｔが含まれていてもよい。
なお本実施形態では、ＴＷＣ３３には触媒金属として他の貴金属、例えばＰｔが含まれていてもよい。
【0064】
以上の構成を備える本実施形態に係るＧＰＦ３２は、例えばピストン押し上げ法により製造される。ピストン押し上げ法では、排気浄化触媒の構成材料を所定量含むスラリーをミリングにより作製し、フィルタ基材３２０の流入側端面をスラリー流入入口として、ピストン押上げ方法にて、ＷＣ量６０ｇ／Ｌでフィルタ基材３２０に排気浄化触媒を担持させる。その後、乾燥させて焼成を行うことにより、ＧＰＦ３２が得られる。
【0065】
高密度層をフィルタ基材３２０の表層に形成（配置）させる方法の一例としては、高粘度のスラリーにフィルタ基材３２０を含浸させ、吸引圧力を低く設定する方法が挙げられる。また、スラリー調製時のミリング時間を短くして比較的大きな粒子が残存するスラリーを用いる方法も挙げられる。
高密度層をフィルタ基材３２０の隔壁３２３の入口側／出口側に形成（配置）させる方法の一例としては、高粘度のスラリーにフィルタ基材３２０を含浸させ、吸引圧力を高く設定する方法が挙げられる。
高密度層をフィルタ基材３２０の厚み方向中央に形成（配置）させる方法の一例としては、低粘度のスラリーにフィルタ基材３２０を含浸させ、吸引時間を短く設定する方法が挙げられる。
高密度層をフィルタ基材３２０の隔壁３２３の入口側／出口側に形成（配置）させる方法の一例としては、高粘度のスラリーにフィルタ基材３２０を含浸させ、吸引圧力を高く設定する方法が挙げられる。
高密度層をフィルタ基材３２０の厚み方向中央に形成（配置）させる方法の一例としては、低粘度のスラリーにフィルタ基材３２０を含浸させ、吸引時間を短く設定する方法が挙げられる。
【0066】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
上記実施形態では、本発明に係る排気浄化フィルタをＧＰＦに適用したが、これに限定されない。本発明に係る排気浄化フィルタをＤＰＦに適用してもよい。この場合、排気浄化触媒としては、ＴＷＣに限定されず他の排気浄化触媒を用いてもよく、例えばＰＭ燃焼触媒等の酸化触媒を用いることができる。
上記実施形態では、本発明に係る排気浄化フィルタをＧＰＦに適用したが、これに限定されない。本発明に係る排気浄化フィルタをＤＰＦに適用してもよい。この場合、排気浄化触媒としては、ＴＷＣに限定されず他の排気浄化触媒を用いてもよく、例えばＰＭ燃焼触媒等の酸化触媒を用いることができる。
【実施例】
【0067】
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0068】
［実施例１～９、比較例１～３］
先ず、硝酸Ｐｄと硝酸Ｒｈの水溶液とＡｌ２Ｏ３担体（市販のγ－アルミナ）とをエバポレータ内に投入し、Ａｌ２Ｏ３担体にＰｄとＲｈを質量比で６／１で含侵担持させた。次いで、乾燥させた後に６００℃で焼成を行い、Ｐｄ－Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３触媒を得た。同様にして、硝酸Ｐｄと硝酸ＲｈとＣｅＯ２を調製し、Ｐｄ－Ｒｈ／ＣｅＯ２触媒を得た。いずれも、貴金属の担持量は、Ｐｄを１．５１質量％、Ｒｈを０．２５質量％とした。なお、使用したフィルタ基材（担体）は、平均気孔径／半値幅／気孔率が異なる６種類のものを用い、サイズはφ１１８．４×９１ｍｍ、１Ｌサイズとした。
先ず、硝酸Ｐｄと硝酸Ｒｈの水溶液とＡｌ２Ｏ３担体（市販のγ－アルミナ）とをエバポレータ内に投入し、Ａｌ２Ｏ３担体にＰｄとＲｈを質量比で６／１で含侵担持させた。次いで、乾燥させた後に６００℃で焼成を行い、Ｐｄ－Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３触媒を得た。同様にして、硝酸Ｐｄと硝酸ＲｈとＣｅＯ２を調製し、Ｐｄ－Ｒｈ／ＣｅＯ２触媒を得た。いずれも、貴金属の担持量は、Ｐｄを１．５１質量％、Ｒｈを０．２５質量％とした。なお、使用したフィルタ基材（担体）は、平均気孔径／半値幅／気孔率が異なる６種類のものを用い、サイズはφ１１８．４×９１ｍｍ、１Ｌサイズとした。
【0069】
次いで、Ｐｄ－Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３触媒とＰｄ－Ｒｈ／ＣｅＯ２触媒とを等量混合し、水及びバインダーを混合してボールミルにてミリングを行い、スラリーを調製した。各実施例及び比較例において、スラリー調製における水の量を異なるものとしてスラリー粘度を調整し、併せて後述する触媒担持工程におけるスラリー吸引圧力を異なる条件で行うことにより、触媒の高密度層の位置が異なる触媒担持ＧＰＦを調製した。表１に、フィルタ基材の仕様、排気浄化触媒（ＴＷＣ）の高密度層の位置、及び、高密度層における触媒割合を示す。また、図５～図１６に、各実施例及び比較例に係るＧＰＦの断面画像図を示した。
【0070】
実施例１～９及び比較例１～３では、フィルタ基材の流入側端面をスラリー流入入口とし、ピストン押上げ方法にて、ＷＣ量６０ｇ／Ｌでフィルタ基材に上記ＴＷＣを担持させた。その後、空気を流しながら１５０℃で乾燥した後、６００℃で焼成を行い、各ＧＰＦを得た。
【0071】
【表1】
【0072】
［実車粒子状物質捕集試験］
各実施例及び比較例に係るＧＰＦについて、排気量１．５Ｌのガソリン直噴エンジン車両の直下１Ｌ三元触媒の後段に、試験対象となるＧＰＦを搭載し、室温２５℃、湿度５０％の条件においてＷＬＴＰモードを走行し、その際のＧＰＦ前後のＰＭ数（ＰＮ）を測定し、ＰＭ数（ＰＮ）捕集効率（低減率）を算出した。測定にあたっては、前処理として、ＷＬＴＰを１サイクル走行して、ＧＰＦが残る粒子状物質を除去後、室温２５℃にて２４時間ソークを行い、コールド状態から測定を実施してデータとした。
各実施例及び比較例に係るＧＰＦについて、排気量１．５Ｌのガソリン直噴エンジン車両の直下１Ｌ三元触媒の後段に、試験対象となるＧＰＦを搭載し、室温２５℃、湿度５０％の条件においてＷＬＴＰモードを走行し、その際のＧＰＦ前後のＰＭ数（ＰＮ）を測定し、ＰＭ数（ＰＮ）捕集効率（低減率）を算出した。測定にあたっては、前処理として、ＷＬＴＰを１サイクル走行して、ＧＰＦが残る粒子状物質を除去後、室温２５℃にて２４時間ソークを行い、コールド状態から測定を実施してデータとした。
【0073】
［Ａｓｈ耐久後圧損試験］
各実施例及び比較例に係るＧＰＦについて、模擬アッシュとして石膏を用いた耐久性試験を行った。具体的には、先ず石膏を焼成後、実際のアッシュに近い粒径となるまでミリングを実施した。次いで、自作吸引装置（大型ドライポンプ（設計排気量１８５０Ｌ／分）をタンクに繋いで真空引き）を用いて、フィルタ基材に所定の模擬アッシュ量を吸引させることによって、実走の耐久を模擬した。Ａｓｈ堆積量としては１５０ｇとした。
各実施例及び比較例に係るＧＰＦについて、模擬アッシュとして石膏を用いた耐久性試験を行った。具体的には、先ず石膏を焼成後、実際のアッシュに近い粒径となるまでミリングを実施した。次いで、自作吸引装置（大型ドライポンプ（設計排気量１８５０Ｌ／分）をタンクに繋いで真空引き）を用いて、フィルタ基材に所定の模擬アッシュ量を吸引させることによって、実走の耐久を模擬した。Ａｓｈ堆積量としては１５０ｇとした。
【0074】
［圧損］
各実施例及び比較例に係るＧＰＦの圧損については、ツクバリカセイキ製の触媒担体圧損試験装置を用いて測定を実施した。具体的には、ＧＰＦフルサイズ（φ１１８．４×９１ｍｍ）をセットし、Ａｉｒを流量２．１７ｍ３／ｍｉｎ（ＣＯＬＤ ＦＬＯＷ）で流し、圧損を測定した。
各実施例及び比較例に係るＧＰＦの圧損については、ツクバリカセイキ製の触媒担体圧損試験装置を用いて測定を実施した。具体的には、ＧＰＦフルサイズ（φ１１８．４×９１ｍｍ）をセットし、Ａｉｒを流量２．１７ｍ３／ｍｉｎ（ＣＯＬＤ ＦＬＯＷ）で流し、圧損を測定した。
【0075】
［考察］
各ＧＰＦのＰＮ捕集効率（低減率）とＡｓｈ堆積後の圧損との関係を図１７に示した。図１７において、実車におけるＧＰＦに要求される特性であるＰＮ捕集効率（低減率）とＡｓｈ堆積後の圧損を両立可能な領域として、ＰＮ捕集効率（低減率）６５％以上且つＡｓｈ堆積後圧損４０００Ｐａ以下とした場合、実施例１～９のみが両立可能であることが確認された。また、より好ましい両立可能領域として、ＰＮ捕集効率（低減率）７５％以上且つＡｓｈ堆積後圧損３５００Ｐａ以下とした場合、実施例１～６のみが両立可能であることが確認された。さらに好ましい両立可能領域としては、ＰＮ捕集効率（低減率）８０％以上且つＡｓｈ堆積後圧損２５００Ｐａ以下とした場合、実施例１～４のみが両立可能であることが確認された。
各ＧＰＦのＰＮ捕集効率（低減率）とＡｓｈ堆積後の圧損との関係を図１７に示した。図１７において、実車におけるＧＰＦに要求される特性であるＰＮ捕集効率（低減率）とＡｓｈ堆積後の圧損を両立可能な領域として、ＰＮ捕集効率（低減率）６５％以上且つＡｓｈ堆積後圧損４０００Ｐａ以下とした場合、実施例１～９のみが両立可能であることが確認された。また、より好ましい両立可能領域として、ＰＮ捕集効率（低減率）７５％以上且つＡｓｈ堆積後圧損３５００Ｐａ以下とした場合、実施例１～６のみが両立可能であることが確認された。さらに好ましい両立可能領域としては、ＰＮ捕集効率（低減率）８０％以上且つＡｓｈ堆積後圧損２５００Ｐａ以下とした場合、実施例１～４のみが両立可能であることが確認された。
【0076】
実施例１～９の仕様の特徴を表１から読み解くと、フィルタ基材のメジアン気孔径は比較的大きいが、比較例２、３と比べて気孔の分布のシャープさを表す半値幅は小さい。フィルタ基材の特徴としては、中心気孔径が大きく気孔分布がシャープな基材であることが分かる。
【0077】
また、比較例１と比べて実施例１～９のＴＷＣの担持状態の特徴として、ＴＷＣがフィルタ基材の厚さ方向の一部（厚さとして出口側、入口側から２５％、又は表層）にＴＷＣが高密度に担持されていることが分かる。
【0078】
以上を踏まえ、ＧＰＦ仕様の基材と触媒担持状態の特徴から以下のメカニズムが推定できる。
一般的な知見として、平均気孔径が大きいフィルタ基材を用いることで、圧損の低減が可能となる。比較例２、３においては実施例と同様の平均気孔径を持つが、半値幅が大きく、気孔径の分布が広い。これにより隔壁内に排気が流れる際に排気の流れの均一性が確保できず圧損が上昇しやすい。また、小さい気孔の存在が多いことを示しており、触媒調製時に触媒が小さい気孔に優先的に流入し、結果的に流路を閉塞させ排気の流路数が少なくなっていることも推定される。これらの理由から、隔壁内を流れる排気の流速が上がり、圧損が上がりやすく、粒子状物質のもすり抜けやすくなると推定される。
一般的な知見として、平均気孔径が大きいフィルタ基材を用いることで、圧損の低減が可能となる。比較例２、３においては実施例と同様の平均気孔径を持つが、半値幅が大きく、気孔径の分布が広い。これにより隔壁内に排気が流れる際に排気の流れの均一性が確保できず圧損が上昇しやすい。また、小さい気孔の存在が多いことを示しており、触媒調製時に触媒が小さい気孔に優先的に流入し、結果的に流路を閉塞させ排気の流路数が少なくなっていることも推定される。これらの理由から、隔壁内を流れる排気の流速が上がり、圧損が上がりやすく、粒子状物質のもすり抜けやすくなると推定される。
【0079】
実施例１～９においては気孔分布がシャープなフィルタ基材を用いることに加え、表面あるいは隔壁の特定の部位に層状に集中して担持されていることを特徴としている。これにより、排気の流れの均一性が確保されるとともに触媒調製時も触媒が小さい細孔に優先的に担持されてしまうことも抑制できる。即ち、比較例１～３に対し圧損上昇を抑制できる。また、ＴＷＣが隔壁内あるいは表面の特定の部位に層状に集中して担持されることにより、粒子状物質を含む排気は担持されたＴＷＣによって狭められた流路を確実に通ることとなり、高い粒子状物質の捕捉性能と高いガス浄化性能を達成することも可能となる。
【符号の説明】
【0080】
１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化装置
３…排気管（排気通路）
３２…ＧＰＦ（排気浄化フィルタ）
３２ａ…流入側端面
３２ｂ…流出側端面
３３…ＴＷＣ（排気浄化触媒）
３２０…フィルタ基材
３２３…隔壁
３２１…流入側セル
３２２…流出側セル
３２４…流入側目封じ部
３２５…流出側目封じ部
３３１…高密度層
３３２…低密度層
２…排気浄化装置
３…排気管（排気通路）
３２…ＧＰＦ（排気浄化フィルタ）
３２ａ…流入側端面
３２ｂ…流出側端面
３３…ＴＷＣ（排気浄化触媒）
３２０…フィルタ基材
３２３…隔壁
３２１…流入側セル
３２２…流出側セル
３２４…流入側目封じ部
３２５…流出側目封じ部
３３１…高密度層
３３２…低密度層
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】