(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタ上の粒子状物質を確実にかつ効率的に酸化除去する。【解決手段】排気ガス中に含まれる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２４を機関排気通路内に配置する。パティキュレートフィルタは抵抗発熱材から形成される。パティキュレートフィルタに通電可能なフィルタ用電源２７を設ける。パティキュレートフィルタから粒子状物質を酸化除去すべきときにはフィルタ用電源からパティキュレートフィルタに通電してパティキュレートフィルタを発熱させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に配置された、排気ガス中に含まれる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であって、抵抗発熱材から形成されたパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタに通電可能なフィルタ用電源と、を具備し、パティキュレートフィルタから粒子状物質を酸化除去すべきときにはフィルタ用電源からパティキュレートフィルタに通電してパティキュレートフィルタを発熱させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
抵抗発熱材が炭化ケイ素、ニッケル−クロム系合金、及び二ケイ化モリブデンから選ばれた少なくとも一つである、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
内燃機関が機関制御のためのコンピュータと該コンピュータに通電可能なコンピュータ用電源とを具備しており、前記フィルタ用電源が該コンピュータ用電源とは別の電源である、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記フィルタ用電源が外部電源である、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
車両が車両駆動のための電気モータと該電気モータに通電可能なモータ用電源とを具備しており、前記フィルタ用電源が該モータ用電源である、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
パティキュレートフィルタに担持された排気浄化触媒を更に具備した、請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
パティキュレートフィルタが複数のセグメントから構成されており、パティキュレートフィルタから粒子状物質を酸化除去すべきときにはこれらセグメントに互いに個別に通電する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中に含まれる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機関排気通路内に配置し、パティキュレートフィルタに電気ヒータを取り付け、パティキュレートフィルタ上の粒子状物質の酸化を促進するために電気ヒータを作動させて排気ガスを加熱する、内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２４１５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、排気ガスという媒体を介して粒子状物質が加熱されるので、粒子状物質を確実にかつ効率的に酸化除去することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、機関排気通路内に配置された、排気ガス中に含まれる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であって、抵抗発熱材から形成されたパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタに通電可能なフィルタ用電源と、を具備し、パティキュレートフィルタから粒子状物質を酸化除去すべきときにはフィルタ用電源からパティキュレートフィルタに通電してパティキュレートフィルタを発熱させるようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
パティキュレートフィルタ上の粒子状物質を確実にかつ効率的に酸化除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による実施例の内燃機関の全体図である。
【図２Ａ】パティキュレートフィルタの正面図である。
【図２Ｂ】パティキュレートフィルタの側面断面図である。
【図３】隔壁の部分拡大断面図である。
【図４】通電制御を説明するタイムチャートである。
【図５】通電制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図６Ａ】フィルタ用電源の別の実施例を示す図である。
【図６Ｂ】フィルタ用電源の別の実施例を示す図である。
【図７Ａ】パティキュレートフィルタの別の実施例を示す図である。
【図７Ｂ】パティキュレートフィルタの別の実施例を示す図である。
【図８Ａ】図７Ａに示される実施例の通電制御の一例を説明するタイムチャートである。
【図８Ｂ】図７Ａに示される実施例の通電制御の別の例を説明するタイムチャートである。
【図８Ｃ】図７Ａに示される実施例の通電制御の更に別の例を説明するタイムチャートである。
【図９】本発明による別の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１を参照すると、１は圧縮着火式内燃機関の本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。
【０００９】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。図１に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。別の実施例では、内燃機関は火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。
【００１０】
排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内にはウォールフロー型のパティキュレートフィルタ２４が配置される。また、触媒コンバータ２２にはパティキュレートフィルタ２４の前後差圧を検出するための差圧センサ２５ｐが取り付けられる。この差圧はパティキュレートフィルタ２４の圧力損失を表している。更に、触媒コンバータ２２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２５ｔが設けられる。
【００１１】
詳しくは後述するが、パティキュレートフィルタ２４は抵抗発熱材から形成される。このパティキュレートフィルタ２４は一方では通電制御器２６を介してフィルタ用電源２７に接続され、他方では接地される。フィルタ用電源２７は例えば１２ボルトのバッテリから形成される。通電制御器２６はフィルタ用電源２７からパティキュレートフィルタ２４に通電する通電制御の実行及び停止、通電制御時の電流値などを制御する。
【００１２】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８、差圧センサ２５ｐ、及び温度センサ２５ｔの出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、及び通電制御器２６に接続される。
【００１３】
電子制御ユニット３０には、電子制御ユニット３０に通電可能な電源４２が接続される。電子制御ユニット３０は機関制御のためのコンピュータであるので、電源４２をコンピュータ用電源と称する。コンピュータ用電源４２は例えば１２ボルトのバッテリから形成される。このように、図１に示される実施例では、フィルタ用電源２７はコンピュータ用電源４２とは別の電源である。
【００１４】
図２Ａ及び図２Ｂはウォールフロー型パティキュレートフィルタ２４の構造を示している。なお、図２Ａはパティキュレートフィルタ２４の正面図を示しており、図２Ｂはパティキュレートフィルタ２４の側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示される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７１ｉ，７１ｏと、これら排気流通路７１ｉ，７１ｏを互いに隔てる隔壁７２とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路７１ｉ，７１ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７３ｄにより閉塞された排気ガス流入通路７１ｉと、上流端が栓７３ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路７１ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは薄肉の隔壁７２を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは各排気ガス流入通路７１ｉが４つの排気ガス流出通路７１ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路７１ｏが４つの排気ガス流入通路７１ｉによって包囲されるように配置される。別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。
【００１５】
パティキュレートフィルタ２４ないし隔壁７２は抵抗発熱材から形成される。抵抗発熱材として、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ２）などの金属発熱体及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの非金属発熱体から選ばれた少なくとも１つが用いられる。
【００１６】
隔壁７２は例えば抵抗発熱材の粒子を焼結することによって形成される。その結果、隔壁７２は多孔性を有している。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路７１ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁７２内を通って隣接する排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。なお、本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４の気孔率は４５％以上に設定される。
【００１７】
図３に示されるように、隔壁７２の表面及び細孔内壁面には排気浄化触媒７５が担持される。図３に示される例では、排気浄化触媒７５は酸化機能を有している。酸化機能を有する触媒として、白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄのような白金族の金属、Ｃｓ−Ｃｕ／Ｖ系触媒、Ｃｅ／Ａｇ系触媒、非金属複合酸化物系触媒（ＺｒＮｄ，ＣｅＺｒ）を用いることができる。
【００１８】
さて、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれる。この粒子状物質はパティキュレートフィルタ２４上に捕集される。一方、燃焼室２では通常は酸素過剰のもとで燃焼が行われている。したがって、燃料噴射弁３から燃料が２次的に供給されない限り、パティキュレートフィルタ２４は酸化雰囲気にある。また、パティキュレートフィルタ２４には酸化機能を有する排気浄化触媒７５が担持されている。その結果、パティキュレートフィルタ２４に捕集された粒子状物質は順次酸化される。ところが、単位時間当たりに捕集される粒子状物質の量が単位時間当たりに酸化される粒子状物質の量よりも多くなると、パティキュレートフィルタ２４に捕集されている粒子状物質の量が機関運転時間の経過と共に増大する。その結果、パティキュレートフィルタ２４の圧力損失が大きくなり、機関背圧が高くなってしまう。
【００１９】
一方、上述したように、本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２４が抵抗発熱材から形成されている。したがって、上述の通電制御が実行されると、パティキュレートフィルタ２４自体が発熱する。
【００２０】
そこで本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４の前後差圧が許容上限よりも高いか否かが判別され、図４に示されるようにパティキュレートフィルタ２４の前後差圧ＰＤが許容上限ＵＬよりも高いときには、パティキュレートフィルタ２４から粒子状物質を除去するために通電制御が一時的に実行される。その結果、パティキュレートフィルタ２４が発熱し、酸化雰囲気のもとで粒子状物質の温度が高められる。したがって、パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質が酸化除去される。
【００２１】
この場合、隔壁７２自体が発熱する。したがって、粒子状物質が直接的に加熱されるので、例えばパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの温度を高める場合に比べて、粒子状物質を確実にかつ効率的に加熱することができる。また、排気ガスの温度を高めるための制御及び設備を必要としない。
【００２２】
図１に示される実施例では、通電制御中は、パティキュレートフィルタ２４の温度が目標温度に維持されるようにパティキュレートフィルタ２４への通電量が制御される。別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４への通電量が目標量に維持される。
【００２３】
また、図１に示される実施例では、パティキュレートフィルタ２４の前後差圧ＰＤが許容下限まで低下したときに通電制御が終了される。別の実施例では、粒子状物質の単位時間当たりの変化量が算出され、この変化量を積算することによってパティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質の量が算出され、粒子状物質量が下限値まで減少したときに通電制御が終了される。更に別の実施例では、あらかじめ定められた電力量だけパティキュレートフィルタ２４に通電されると通電制御が終了される。更に別の実施例では通電制御が一定時間行われる。
【００２４】
更に、図１に示される実施例では、コンピュータ用電源４２とは別にフィルタ用電源２７が設けられる。したがって、パティキュレートフィルタ２４への通電制御が行われているときにも、電子制御ユニット３０への通電量が確保され、したがって正常な機関制御を維持することができる。別の実施例では、フィルタ用電源２７はコンピュータ用電源４２である。
【００２５】
図５は本発明による実施例の排気浄化制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図５を参照すると、ステップ１００ではパティキュレートフィルタ２４の前後差圧ＰＤが許与上限ＵＬよりも大きいか否かが判別される。ＰＤ≦ＵＬのときには処理サイクルを終了する。この場合、通電制御は実行されない。これに対し、ＰＤ＞ＵＬのときにはステップ１００からステップ１０１に進み、通電制御が実行される。
【００２６】
図６Ａ及び図６Ｂはフィルタ用電源の別の実施例を示している。
図６Ａに示される例では、フィルタ用電源は外部電源９０である。外部電源９０は例えば１００ボルト又は２００ボルトの家庭用電源、充電スタンドなどから形成される。このために、パティキュレートフィルタ２４を外部電源９０に接続するためにプラグ９１が設けられている。この例では、車両停止中に通電制御が行われることになる。
【００２７】
図６Ｂに示される例では、フィルタ用電源はモータ用電源９２である。車両には車両駆動用の電気モータ９３が設けられており、モータ用電源９２から電気モータ９３に通電可能になっている。モータ用電源９２は例えば５００ボルトのバッテリから形成される。なお、符号９４は、モータ用電源９２から電気モータ９３への通電を制御する制御器を示している。
【００２８】
外部電源９０及びモータ用電源９２は図１に示される実施例のフィルタ用電源２７又はコンピュータ用電源４２よりも高電圧である。したがって、パティキュレートフィルタ２４に大きな電力を供給できるので、粒子状物質の酸化除去を確実に行うことができ、粒子状物質の酸化除去に必要な時間を短縮することができる。
【００２９】
図７Ａ及び図７Ｂはパティキュレートフィルタ２４の別の実施例を示している。
図７Ａ及び図７Ｂに示される実施例では、パティキュレートフィルタ２４は複数のセグメントから構成される。すなわち、図７Ａに示される実施例ではパティキュレートフィルタ２４は４つのセグメントＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３，ＳＡ４から構成され、図７Ｂに示される実施例ではパティキュレートフィルタ２４は５つのセグメントＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４，ＳＢ５から構成される。これらセグメントはそれぞれ互いに結合され、全体として長手軸線Ｌ−Ｌに沿って延びる円柱形状をなしている。このように複数のセグメントからパティキュレートフィルタ２４を構成すると、パティキュレートフィルタ２４に亀裂が生じるのを抑制することができ、したがってパティキュレートフィルタ２４の耐久性を高めることができる。
【００３０】
図７Ａに示される各セグメントＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３，ＳＡ４及び図７Ｂに示される各セグメントＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４，ＳＢ５は、ハニカム構造をなしており、互いに平行をなして複数個の排気流通路と、これら排気流通路を互いに隔てる隔壁とを具備する。
【００３１】
また、図７Ａの各セグメントＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３，ＳＡ４は一方では共通の通電制御器２６を介してフィルタ用電源２７に接続され、他方では接地される。図７Ｂの各セグメントＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４，ＳＢ５も一方では共通の通電制御器２６を介してフィルタ用電源２７に接続され、他方では接地される。
【００３２】
図７Ａに示される実施例では、パティキュレートフィルタ２４から粒子状物質を酸化除去すべきときにはセグメントＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３，ＳＡ４に互いに個別に通電制御が行われる。図７Ｂに示される実施例でも、パティキュレートフィルタ２４から粒子状物質を酸化除去すべきときにはセグメントＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４，ＳＢ５に互いに個別に通電制御が行われる。
【００３３】
図８Ａ及び図８Ｂは図７Ａに示される実施例の通電制御の例を示している。図８Ａに示される例では、パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質を酸化除去すべきときには、まず第１のセグメントＳＡ１への通電制御が実行される。次いで、第１のセグメントＳＡ１への通電制御が終了されると共に、第２のセグメントＳＡ２への通電制御が開始される。次いで、第３のセグメントＳＡ３及び第４のセグメントＳＡ４への通電制御が順次行われる。図８Ｂに示される例では、第１のセグメントＳＡ１への通電制御に引き続いて第３のセグメントＳＡ３への通電制御が行われ、次いで第４のセグメントＳＡ４への通電制御が行われ、次いで第２のセグメントＳＡ２への通電制御が行われる。すなわち、図８Ａに示される例では、先に通電制御が行われるセグメントと次に通電制御が行われるセグメントとが互いに隣接するように、通電制御の実行順序が定められる。一方、図８Ｂに示される例では、先に通電制御が行われるセグメントと次に通電制御が行われるセグメントとが互いに隣接しない場合が含まれるように、通電制御の実行順序が定められる。
【００３４】
図８Ｃは図７Ａに示される実施例の通電制御の別の例を示している。図８Ｃに示される例では、機関運転が停止されるごとに１つのセグメントへの通電制御が行われる。言い換えると、１つのセグメントへの通電制御が行われた後、時間間隔をもって別のセグメントへの通電制御が行われる。また、図８Ｃに示される例では機関運転中に通電制御は行われない。別の例では、機関運転停止時に加えて、機関運転中にも通電制御が行われる。
【００３５】
このようにセグメントに個別に通電制御を行うと、パティキュレートフィルタ２４の温度が過度に上昇する熱暴走の発生を抑制することができる。すなわち、粒子状物質の酸化反応は発熱反応であるので、パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質の酸化がひとたび開始されると、粒子状物質の酸化が急激に進み、パティキュレートフィルタ２４の温度が過度に上昇するおそれがある。この場合、パティキュレートフィルタ２４が溶損するおそれがある。これに対し、セグメントに個別に通電制御を行うと、１回の通電制御で酸化除去されうる粒子状物質の量が制限されるので、熱暴走の発生を抑制できる。また、１回の通電制御に必要な電力を小さくすることができる。
【００３６】
図７Ａに示されるセグメントＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３，ＳＡ４同士及び図７Ｂに示されるセグメントＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４，ＳＢ５同士はそれぞれ、断熱性接着剤により結合される。その結果、一つのセグメントへの通電制御が行われたときにこのセグメントの温度を速やかに高めることができる。また、隣接するセグメントの温度上昇が抑制されるので、熱暴走の発生を確実に抑制できる。別の実施例では、セグメント同士が熱伝導性接着剤により結合される。この場合、一つのセグメントへの通電制御が行われると、隣接するセグメントが予熱される。
【００３７】
図９は本発明による別の実施例を示している。図９に示される実施例では、パティキュレートフィルタ２４又はパティキュレートフィルタ上の粒子状物質の温度を上昇させるための電気加熱器９５が設けられる。加熱器９５はマイクロウェーブ発生器又は電気ヒータから構成される。図９に示される実施例では加熱器９５はフィルタ用電源２７から通電される。別の実施例では、加熱器９５はフィルタ用電源２７とは異なる電源、例えば図１に示されるコンピュータ用電源４２、図６Ａに示される外部電源９０、又は図６Ｂに示されるモータ用電源９２から通電される。
【００３８】
パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質を酸化除去すべきときには、パティキュレートフィルタ２４への通電制御が実行されると共に、加熱器９５が作動される。その結果、粒子状物質の酸化除去を確実に行うことができ、粒子状物質の酸化除去に必要な時間を短縮することができる。別の実施例では加熱器９５によってパティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスが加熱される。
【符号の説明】
【００３９】
１    機関本体
２１    排気管
２４    パティキュレートフィルタ
２７    フィルタ用電源
４２    コンピュータ用電源
７１ｉ    排気ガス流入通路
７１ｏ    排気ガス流出通路
７２    隔壁
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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