(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置において、排気中の粒子状物質を帯電させることで除去するにあたり、消費電力量を可及的に抑制する。【解決手段】  内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の排気通路に設けられ排気中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段３と、粒子状物質捕集手段の下流側に設けられ、該粒子状物質捕集手段を通った排気中の粒子状物質を帯電させることで、粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質凝集手段６と、粒子状物質凝集手段の下流側に設けられ該粒子状物質凝集手段によって凝集された粒子状物質を一時的もしくは永久的に捕集し蓄積する粒子状物質蓄積手段４と、を備える。【選択図】  図１
2006194104.tif 000002
【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、排気中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段と、
前記粒子状物質捕集手段の下流側に設けられ、該粒子状物質捕集手段を通った排気中の粒子状物質を帯電させることで、粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質凝集手段と、
前記粒子状物質凝集手段の下流側に設けられ、該粒子状物質凝集手段によって凝集された粒子状物質を一時的もしくは永久的に捕集し蓄積する粒子状物質蓄積手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記粒子状物質蓄積手段を冷却する冷却手段を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記粒子状物質蓄積手段は、前記内燃機関を搭載する車輌の外表面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記粒子状物質蓄積手段は接地されるとともに、該粒子状物質蓄積手段における排気の流速は該粒子状物質蓄積手段の上流側の排気通路における排気の流速より低いことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
接地された部位における前記粒子状物質蓄積手段の通路径は、該粒子状物質蓄積手段の上流側の排気通路の通路径より大きいことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記粒子状物質蓄積手段は接地されるとともに、前記粒子状物質凝集手段が設けられている位置と該粒子状物質蓄積手段の接地位置との距離が所定距離以上離れていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記粒子状物質凝集手段には電荷を供給する電源と電荷を蓄えるコンデンサが備えられ、
前記内燃機関の運転状態が排気中の粒子状物質量が低下する所定状態であるとき、前記粒子状物質凝集手段への前記電源からの電荷供給を中断することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記粒子状物質凝集手段には電荷を供給する電源が備えられ、
排気中の未燃物質量の増加に従って前記電源の出力を増加させる電源出力制御手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか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、排気中の粒子状物質を除去する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の開発及び使用においては、内燃機関からの有害な排気物質を浄化することが重要である。特に、圧縮着火内燃機関の場合、排気中に有害な粒子状物質が含まれており、その粒子状物質をどのように浄化するかが問題となっている。
【０００３】
そこで、内燃機関の排気通路に、複数組の排気浄化機構を設ける技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。この排気浄化機構は、上流側で排気中の粒子状物質を帯電させ、その下流側で帯電させられた粒子状物質を捕集し、捕集された粒子状物質を燃焼することで、排気中の粒子状物質の除去を行う。尚、粒子状物質を帯電させるのは、その粒子状物質の粒径を大きくし、捕集されやすくするためである。
【０００４】
また、内燃機関の排気通路の上流側にサイクロン集塵装置を設け、その下流側に放電プラズマを発生させるプラズマ発生装置を設ける技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。この技術によると、排気中の粒子状物質を先ずサイクロン集塵装置で除去し、除去しきれなかった粒子状物質をプラズマ装置で燃焼させるので、省電力による粒子状物質の除去が可能となる。
【特許文献１】特開２００３−３０１７１１号公報
【特許文献２】特開２００４−９２５８９号公報
【特許文献３】特開２００４−７６６６９号公報
【特許文献４】特開平１０−１６９４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
内燃機関の排気中の粒子状物質を除去するために、粒子状物質を帯電させて捕集する手法は有用である。しかし、排気中の比較的多量の粒子状物質に対して帯電を行う必要があるため、帯電のための消費電力量が大きくなる虞がある。また、捕集装置によって捕集された粒子状物質を電気によって燃焼しようとしても消費電力量が大きくなる虞がある。
【０００６】
本発明では、上記した問題に鑑み、内燃機関の排気浄化装置において、排気中の粒子状物質を帯電させて除去するにあたり、消費電力量を可及的に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するために、排気中の粒子状物質への帯電を行う位置に着目するとともに、帯電された粒子状物質の処理に着目した。それは、帯電の対象となる粒子状物質量を低減することで帯電の消費電力量を低減するとともに、その後の処理次第で電力消費を要しないからである。
【０００８】
そこで、本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段と、前記粒子状物質捕集手段の下流側に設けられ、該粒子状物質捕集手段を通った排気中の粒子状物質を帯電させることで、粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質凝集手段と、前記粒子状物質凝集手段の下流側に設けられ、該粒子状物質凝集手段によって凝集された粒子状物質を一時的もしくは永久的に捕集し蓄積する粒子状物質蓄積手段と、を備える。
【０００９】
上記の内燃機関の排気浄化装置においては、先ず粒子状物質捕集手段によって排気中の粒子状物質が捕集される。しかし、その捕集においては粒子状物質の全てが捕集されるわけではなく、一部の粒子状物質は粒子状物質捕集手段をすり抜ける場合がある。そこで、粒子状物質凝集手段によって、そのすり抜けた粒子状物質に対して電荷を与えて帯電させ、排気中の粒子状物質同士を電気的に結合させる。これにより粒子状物質の粒径が大きくなる。
【００１０】
そして、上記の内燃機関の排気浄化装置においては、その粒径が大きくされた粒子状物質は粒子状物質蓄積手段によって捕集されるが、その捕集された粒子状物質は、途中で酸化除去されることなく、一時的もしくは永久的に捕集され続ける。内燃機関を搭載する車輌等の使用期間において一般的に発生する粒子状物質量を考慮すると、捕集された粒子状物質をその使用期間において蓄積し続けることが可能と考えられる。そこで、粒子状物質を酸化除去するのではなく、捕集された状態を維持し蓄積し続けることで、酸化除去の際の電力量を抑制することが可能となる。尚、より効率的な粒子状物質の捕集のため、粒子状物質蓄積手段を接地しているのが好ましい。
【００１１】
また、上記の排気浄化装置においては、粒子状物質捕集手段をすり抜けた粒子状物質に対して帯電を行っているため、電荷を与える粒子状物質量が比較的少なくて済み、その結果、帯電の際の消費電力量も抑制することが可能となる。
【００１２】
ここで、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質蓄積手段を冷却する冷却手段を、更に備えるようにしてもよい。粒子状物質蓄積手段に蓄積されている粒子状物質中には、比較的蒸発温度が低いＳＯＦ分が含まれている。このＳＯＦ分は粒子状物質同士を繋げる接着剤的な役割も果たし、蓄積されている粒子状物質の飛散を抑制している。しかし、粒子状物質蓄積手段に蓄積されている粒子状物質の温度が上昇するとこのＳＯＦ分が蒸発し、粒子状物質が飛散する虞がある。そこで、冷却手段による冷却を行うことで、蓄積された粒子状物質の飛散を防止するものである。
【００１３】
また、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質蓄積手段は、前記内燃機関を搭載する車輌の外表面に設けられるようにしてもよい。即ち、車輌の走行時の走行風が当たりやすい外表面に粒子状物質蓄積手段を設けることで、上述したような冷却による粒子状物質の飛散防止効果を享受することが可能となる。
【００１４】
ここで、上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質蓄積手段は接地されるとともに、該粒子状物質蓄積手段における排気の流速が該粒子状物質蓄積手段の上流側の排気通路における排気の流速より低くなるようにしてもよい。粒子状物質蓄積手段が接地されることで、そこに帯電された粒子状物質が捕集、蓄積されやすくなる。更に、粒子状物質蓄積手段における排気の流速を下げることで、粒子状物質の捕集効率を上昇させることが可能となる。尚、粒子状物質蓄積手段における排気の流速を下げるために、接地された部位における前記粒子状物質蓄積手段の通路径を、該粒子状物質蓄積手段の上流側の排気通路の通路径より大きくしてもよい。
【００１５】
また、上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質蓄積手段は接地されるとともに、前記粒子状物質凝集手段が設けられている位置と該粒子状物質蓄積手段の接地位置との距離が所定距離以上離れているようにしてもよい。帯電された粒子状物質の捕集効率を上昇させるためには、帯電されてから比較的長い時間をかけて捕集する必要がある。そこで、上記の所定距離を設定することで、帯電された粒子状物質が該所定距離を流れる時間をかけて効率的に捕集される。従って、該所定距離は、粒子状物質の効率的な捕集を可能とするための距離と定義される。
【００１６】
また、上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質凝集手段には電荷を供給する電源と電荷を蓄えるコンデンサが備えられ、前記内燃機関の運転状態が排気中の粒子状物質量が低下する所定状態であるとき、前記粒子状物質凝集手段への前記電源からの電荷供給を中断するようにしてもよい。
【００１７】
粒子状物質凝集手段にコンデンサが備えられることで、電源からの電荷供給が中断されてもコンデンサに蓄えられていた電荷が徐々に放出されることで、粒子状物質の帯電が突如遮断されない。そこで、帯電の対象となる粒子状物質量が少ないとき、即ち、内燃機関の運転状態が前記所定状態であるとき、電源からの電荷供給を中断し、コンデンサに蓄えられた電荷のみによって粒子状物質の帯電を行う。このようにすることで、常時電源からの電荷供給を行う場合と比べて、粒子状物質の帯電の際の消費電力量をより抑制することが可能となる。
【００１８】
また、上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質凝集手段には電荷を供給する電源が備えられ、排気中の未燃物質量の増加に従って前記電源の出力を増加させる電源出力制御手段を、更に備えるようにしてもよい。粒子状物質凝集手段は、粒子状物質を帯電させるとともに、その電荷のエネルギーによって排気中に各種の活性種を発生させることが可能である。そして、その活性種によって排気中の未燃物質が浄化される。例えば、排気中の有機可溶物質（ＳＯＦ）や炭化水素（ＨＣ）が粒子状物質凝集手段によって発生させられた活性種によって浄化される。
【００１９】
そして、この活性種の発生量は、粒子状物質凝集手段に備えられた電源の出力に従う。そこで、電源出力制御手段によって、上述のように排気中の未燃物質量に応じて電源の出力を制御することで、粒子状物質を凝集するとともに、未燃物質の浄化も効率的に進められる。
【発明の効果】
【００２０】
内燃機関の排気浄化装置において、排気中の粒子状物質を帯電させることで除去するにあたり、消費電力量を可及的に抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明が適用される内燃機関１の排気浄化装置およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。内燃機関１からの排気は排気通路２へと排出される。排気通路２には、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ３が設けられ、更にその下流側の排気通路２にはマフラー４が設けられている。
【００２３】
ここで、図２にマフラー４の詳細な構造を示す。マフラー４には、マフラー４に排気が流入する排気流入通路４ａと、マフラー４から排気が流出する排気流出通路４ｂと、バイパス路４ｃとが設けられている。バイパス路４ｃの端部にはスプリングで付勢された可変バルブ４ｄが設けられており、マフラー４内の背圧が比較的低い場合（図２（ａ）に示す場合）は、可変バルブ４ｄは閉じた状態である。このとき、マフラー４の拡張比は比較的大きくなり、大きな消音効果が得られる。一方で、マフラー内の背圧が比較的高い場合（図２（ｂ）に示す場合）は、背圧によって可変バルブ４ｄが開いた状態となり、マフラー４の拡張比は図２（ａ）に示す場合よりも低くなるものの、マフラー４内の背圧上昇が抑制される。
【００２４】
また図１に戻り、放電装置の電極６がフィルタ３の下流側に設けられており、その設置位置をＰＰと表す。フィルタ３によって排気中の粒子状物質の大部分は捕集されてしまうが、一部の粒子状物質はフィルタ３をすり抜けてしまう。そこで、放電装置は、そのすり抜けた粒子状物質に対して電極６から電荷を与えて帯電させる。また、放電装置は、電極６に電荷を供給する電源５と、電源５と電極６の間に設けられたコンデンサ７によって構成されている。更に、マフラー４の外殻は接地されており、その接地位置をＥＰと表す。本実施例においては、放電装置としてプラズマ発生装置が用いられる。このプラズマ発生装置は、コンデンサ７を充電して衝撃電流を放電することにより、電極６の先端にプラズマを発生させて粒子状物質を帯電させる。
【００２５】
ここで、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種の制御ルーチン及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。ここで、放電装置の電源５はＥＣＵ２０からの制御信号によって制御され、電極６への電荷の供給が調整される。
【００２６】
更に、クランクポジションセンサ８とアクセル開度センサ９がＥＣＵ２０と電気的に接続されている。これにより、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取って内燃機関１の機関回転速度等を算出し、またはアクセル開度に応じた信号を受け取って内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。
【００２７】
このようにフィルタ３や放電装置等で構成される内燃機関１の排気浄化装置においては、放電装置によって排気中の粒子状物質が帯電させられると、該粒子状物質同士が電気的に結合し、その粒径が大きくなる。そして、該粒子状物質は、接地されたマフラー４に引き寄せられる。その結果、マフラー４の内部空間４ｅに粒子状物質が蓄積される。即ち、フィルタ３が粒子状物質捕集手段として機能し、放電装置が本発明に係る粒子状物質凝集手段として機能し、接地されたマフラー４が本発明に係る粒子状物質蓄積手段として機能する。
【００２８】
ここで、マフラー４には、内部空間４ｅを冷却するための冷却装置１０が設けられている。この冷却装置１０は、内燃機関１の冷却水の一部が循環されることで内部空間４ｅを冷却する。そして、内部空間４ｅが冷却されることで、粒子状物質蓄積手段として機能しているマフラー４に蓄積された粒子状物質内のＳＯＦ分の蒸発が防がれ、より確実に粒子状物質がマフラー４に蓄積され続ける。
【００２９】
また、図１に示す排気浄化装置において、マフラー４の直上流の排気通路２の通路径ｄ１は、マフラー４における通路径Ｄ１よりも小さい。これにより、マフラー４の内部空間４ｅにおける排気の流速は、排気通路２における排気の流速より低下している。その結果、マフラー４において、電極６によって帯電させられた粒子状物質の捕集、蓄積効率が上昇する。
【００３０】
ここで、電極６が設けられている位置ＰＰと、マフラー４が接地されている位置ＥＰとの間の距離をＬ１とし、接地距離と称する。この接地距離Ｌ１は、マフラー４における帯電された粒子状物質の捕集に大きな影響力を与える。即ち、帯電された粒子状物質の捕集を緩慢に行うために接地距離Ｌ１を比較的長く設定することで、マフラー４における粒子状物質の捕集、蓄積効率が上昇する。
【００３１】
ここで、接地距離の長短によって排気中の粒子状物質量がどのように変化するか図３に示す。図３の横軸は電源５から電極６にかけられる供給電圧であり、縦軸は排気中の粒子
状物質量（ＰＭ量）である。即ち、この粒子状物質量が低下するに従い、マフラー４における粒子状物質の捕集、蓄積効率が上昇していることを意味する。ここで、図中線ＬＥＰは接地位置を図１中の位置ＥＰとしたときの供給電圧と粒子状物質量との関係を表している。また、図中線ＬＳＰは接地位置が電極６の近傍位置ＳＰ（接地距離がＬ２である位置）であるときの、供給電圧と粒子状物質量との関係を表している。
【００３２】
これからも分かるように、接地位置を電極６の近傍に設けるより、比較的離れた距離に設けることで、マフラー４において排気中の粒子状物質がより効率的に捕集、蓄積される。尚、実験結果に基づくと、より良い捕集効率を得るためには接地距離Ｌ１は排気通路２の通路径ｄ１以上であるのが好ましい。
【００３３】
ここで、図１中の放電装置には、コンデンサ７が組み込まれている。このコンデンサ７の蓄電効果によって電源５から電極６への電荷供給が中断されても、コンデンサ７に蓄電されていた電荷が電極６に供給されるため、電極６による粒子状物質への帯電作用は直ちには停止しない。逆に、電源５から常時電荷を電極６に供給しなくてもコンデンサ７に蓄電された電荷を電極６に供給することで、粒子状物質への帯電を継続することが可能となり、電源５の常時稼動を止め消費電力量の増加を抑制することが可能となる。
【００３４】
そこで、図４に、上述した電源５による電極６への断続的な電荷供給の制御（以下、「電荷供給制御」という。）のフローチャートを示す。尚、本実施例における電荷供給制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。
【００３５】
Ｓ１０１では、内燃機関１の負荷領域が低負荷領域に属しているか否かが判定される。内燃機関１の負荷領域は、機関回転速度と機関負荷によって決定される。図５に内燃機関１の負荷領域の概略を示す。図５におけるＲ１が低負荷領域であり、Ｒ２が高負荷領域である。ここで、低負荷領域Ｒ１は、内燃機関１から排出される粒子状物質量が比較的少ない領域である。Ｓ１０１で負荷領域が低負荷領域Ｒ１に属していると判定されるとＳ１０２へ進み、負荷領域が低負荷領域ではない高負荷領域Ｒ２に属していると判定されるとＳ１０３へ進む。
【００３６】
Ｓ１０２では、電源５から電極６への電荷供給を中断する。このとき、コンデンサ７に蓄電されていた電荷が電極６へと供給されることになるが、排気中の粒子状物質量は比較的少ない負荷領域にあるため、粒子状物質への帯電作用は十分に行い得る。Ｓ１０２の処理が終了すると本制御を終了する。
【００３７】
Ｓ１０３では、電源から電極への電荷供給を継続し、また中断されている場合は電荷供給を開始する。即ち、内燃機関１の負荷領域が、排気中の粒子状物質が多い領域である場合には、電源５から十分な電荷を粒子状物質に供給することで、マフラー４における捕集、蓄積をより確実に行う。このとき、電源５の出力は、排気中の未燃物質量が多くなるに従い増加されるよう制御される。尚、排気中の未燃物質量は、クランクポジションセンサ８およびアクセル開度センサ９で決定される内燃機関１の運転状態に基づいて推測される。Ｓ１０３の処理が終了すると本制御を終了する。
【００３８】
本制御によると、電源５による電荷供給のＯＮ−ＯＦＦを内燃機関１の負荷領域に応じて切り替えることで、粒子状物質の効率的な帯電と、帯電の際の消費電力量の抑制との両立を図ることが可能となる。また、電源５の出力を排気中の未燃物質量に基づいて制御することで、該未燃物質の浄化を効率的に行うことが可能となる。
【００３９】
ここで、図１に示す内燃機関１の排気浄化装置の車輌への搭載方法について図６に示す。車輌１２の後輪側の外表面に、アンダーカバー１１と一体にマフラー４を設置しマフラ
ー４に走行風が当たるようにする。このようにすることで、走行風を利用してマフラー４自体の冷却効率を上昇させ、上述したようにマフラー４に捕集、蓄積された粒子状物質がより安定して蓄積されるようにする。
【００４０】
また、帯電された粒子状物質を捕集、蓄積するために必ずしもマフラーを使用する必要はなく、粒子状物質の捕集、蓄積を専門的に行う蓄積装置を車輌に設けてもよい。このとき蓄積装置は、接地されているのが好ましい。ここで、内燃機関１を搭載する車輌１８が図７に示すようにトラック形状である場合には、該蓄積装置を走行風が当たり冷却されやすい車輌１８の外表面の、トラック側面１３、キャビン側面１４、ハイルーフ１５、トレーラー部外壁１６、チンスポイラー１７等の場所に設置するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を表す図である。
【図２】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置に設けられたマフラーの詳細を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置において、放電装置の電極と接地位置との間の距離毎の、排気中の粒子状物質と電極への供給電圧との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置において行われる電荷供給制御に関するフローチャートである。
【図５】本発明の実施例に係る内燃機関の負荷領域を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の車輌への搭載の態様を示す第一の図である。
【図７】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の車輌への搭載の態様を示す第二の図である。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・・内燃機関
２・・・・排気通路
３・・・・フィルタ
４・・・・マフラー
４ａ・・・・排気流入通路
４ｂ・・・・排気流出通路
４ｃ・・・・バイパス路
４ｄ・・・・可変バルブ
４ｅ・・・・内部空間
５・・・・電源
６・・・・電極
７・・・・コンデンサ
８・・・・クランクポジションセンサ
９・・・・アクセル開度センサ
１０・・・・冷却装置
１１・・・・アンダーカバー
２０・・・・ＥＣＵ
【図１】
2006194104.tif 000003
【図２】
2006194104.tif 000004
【図３】
2006194104.tif 000005
【図４】
2006194104.tif 000006
【図５】
2006194104.tif 000007
【図６】
2006194104.tif 000008
【図７】
2006194104.tif 000009