(57)【要約】【課題】エンジン１から排出された排出ガスによる大気中の超微小粒子の発生を抑制する。【解決手段】エンジン１から排出された燃焼ガスは、排気後処理装置３により環境への影響を減ずるように処理された後、マフラ４を通って排気管５の出口から車外に排出される。排気管５の中には、希釈空気排出管６が同心状をなすように配置されており、その上流に、希釈空気供給ポンプ７と、希釈用空気フィルタ８と、が設けられる。車速風による排出ガスの希釈が不十分となる低車速時や減速時に、希釈空気供給ポンプ７によって希釈空気排出管６を通して排気管５の中に希釈空気が供給される。排出ガスが大気に放出される前に希釈されることで、大気中での希釈の途中で生じる超微小粒子が減少する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排出ガスが排気管を通して車外に排出される車両において、触媒コンバータ下流の排気管中もしくは排気管の出口に、排出ガスを希釈する希釈装置を備え、車両の運転状態に応じて、排出ガスを車外に排出する前に予め希釈することを特徴とする車両の排出ガス浄化装置。
【請求項２】
エンジンの排出ガスが排気管を通して車外に排出される車両において、触媒コンバータ下流の排気管中もしくは排気管の出口に、排出ガスを希釈する希釈装置を備えるとともに、車両の運転状態を検出する運転状態検出手段を有し、検出された運転状態に基づき、粒子径が約２０−３０ｎｍ以下の微小粒子の粒子数が増加する条件を推定して、排出ガスを車外に排出する前に予め希釈することを特徴とする車両の排出ガス浄化装置。
【請求項３】
排出ガスを予め希釈する車両の運転状態が、車速を基に決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両の排出ガス浄化装置。
【請求項４】
排出ガスを予め希釈する車両の運転状態が、車速とエンジン運転条件とを基に決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両の排出ガス浄化装置。
【請求項５】
排出ガスを予め希釈する車両の運転状態が、エンジンの暖機状態を基に決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両の排出ガス浄化装置。
【請求項６】
排出ガスを予め希釈する車両の運転状態が、排出ガス温度もしくは触媒コンバータ温度を基に決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両の排出ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車の排出ガス浄化装置、特に、大気中に排出・拡散された後の排出ガス中に見られる超微小粒子状物質を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中に浮遊する可能性のある様々な超微小粒子が、健康へ影響を与える可能性があることが、最近の研究で報告され始めている。化石燃料を燃焼させた場合に生じる、炭素を主な成分とするすすが大気中に排出されると、その中に問題となる超微小粒子が含まれる可能性があり、家庭用ガスコンロや暖房器のほか、自動車の排出ガス中にも含まれる可能性がある。
【０００３】
但し、超微小粒子の計測法は確定した方法が存在せず、また超微小粒子として装置で検出される粒子の化学的組成や物理的特性、形態も定かではない。
【０００４】
自動車から排出されるガスは、大気中に放出された後、拡散・希釈されるが、その過程において、凝集や蒸発等により、その形態が変化するため、粒子の粒子径分布が変化することが想像される。その際、排出ガスを希釈する大気の湿度や温度状態、粒子の核となる物質の含有量、大気との希釈状態、により、その形態変化が影響されて、拡散後の超微小粒子の観測結果に差が生じることが、研究により明らかになり始めている。
【０００５】
２００３年春の自動車技術会学術講演会“ナノ粒子生成特性解析”で報告されているように、条件にもよるが  排出ガスが空気と混合希釈するに従い、超微小粒子として観測される粒子の数が増加する場合がある。これは、希釈により粒子の表面に付着していた蒸発性成分が蒸発することによって、粒子の小粒径化が促進されたり、空気中の塵や、排出ガス中に存在する核となる物質に、排出ガス中の水分が凝集することにより、超微小粒子が観察されるようになると考えられる。
【０００６】
一方、特許文献１は、本出願人が先に提案したものであって、自動車からの排出ガスが希釈・拡散される外気温度や外気湿度等の条件に基づいて、排出ガス中の粒子状物質の増減を予測し、この粒子量が規定値を越えないようにエンジンの燃焼状態を制御する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２２７３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の技術は、外気温度等を考慮してエンジンで生成される粒子状物質の量を変更するようにしたものであって、排出ガスの大気放出後に希釈の過程において大気中の湿度や塵などの条件によって超微小粒子が観察されることを防止するものではない。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑み、自動車からの排出ガスが大気に放出された際に超微小粒子が観察されると予想される車両の運転状態の場合に、排出ガスが自動車の排気管から大気に放出される前に、予め排出ガスを希釈することにより、大気放出後に超微小粒子が観察されることを防止しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、エンジンの排出ガスが排気管を通して車外に排出される車両において、触媒コンバータ下流の排気管中もしくは排気管の出口に、排出ガスを希釈する希釈装置を備えており、車両の運転状態に応じて、排出ガスを車外に排出する前に予め希釈するようにしたものである。
【００１０】
このように予め希釈してから大気に放出することにより、大気放出後の希釈の過程で排出ガスの成分構成や大気中の湿度や塵などの条件によって超微小粒子が生じることを防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、自動車の排出ガスに起因する大気中の超微小粒子の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１〜図６に基づいて、本発明の概念およびその装置の具体的な構成について説明する。
【００１３】
図１は、本発明が適用される自動車の説明図であって、エンジン１は、エンジンコントロールユニット２に制御されつつ、その内部で燃料を燃焼させて、車輪を回転させるための動力を発生する。この際にエンジン１から排出される燃焼ガスは、触媒コンバータを含む排気後処理装置３により、環境への影響を減ずるように処理された後、マフラ４を通して排気管５の出口から車外に排出される。車外に排出されたガスは、大気により希釈されつつ拡散するため、図に希釈率を付記したように、排気管５の出口から遠ざかるほど希釈率は大となる。本発明においては、上記排気管５は、排出ガスを予め希釈するために後述する希釈装置を具備し、この希釈装置は、車両の運転状態の検出に基づき、エンジンコントロールユニット２によって制御される。
【００１４】
図２は、エンジン１排出後の粒子状物質の変化を模式的に示す説明図であって、エンジン１の排出ガスには、極めて微細な炭素成分（図中に黒丸で示す）と揮発性成分（図中に白丸で示す）とが含まれているが、希釈の過程で大気中の湿度や塵などの条件によって、凝集を起こしたり、表面の揮発性物質が蒸発し、より小さな粒径になったりと、様々な変化を起こす。
【００１５】
図３は、排気管５から大気中に排出されたガスにおける微粒子の粒径分布を示したものであり、排出ガス中には大量の水分や微量な炭化水素が含まれることから、大気放出後の拡散が充分に行われていない希釈率が小さな条件や、排出されるガス中の水分量が非常に多い条件では、破線で示すような特性となり、粒径が約２０−３０ｎｍ以下という超微小粒子が計測されることがある。 しかし、更に拡散が行われ希釈率が大きな条件では、実線で示すような特性となり、この超微小粒子は計測されなくなる。
【００１６】
図４に示すように、車両が通常走行している場合には、車速風により車両の後側に後流による渦が発生し、排気管５より排出されたガスは速やかに拡散される。
【００１７】
これに対し、図５に示すように、車両の速度が非常に遅い場合や車両が停止（アイドリング）状態にある場合、あるいは、排出ガスと車両との相対速度が小さくなる減速時には、排気管５より排出されたガスは、大気中の自然の風や対流などによる他は希釈が促進されない。そのため、希釈の過程で発生した超微小粒子は、さらなる希釈による図３の実線に示すような減少が迅速に行われない場合がある。なお、車両が走行している状態でも、高速走行などのように車両の後に空気の滞留領域ができ排出ガスが滞るような場合があり、この場合にも希釈が迅速に行われずに、上記のアイドル時や非常に低い車両速度の場合と同様の現象が起こることがある。
【００１８】
図６は、本発明の排出ガス浄化装置の機能ブロック図であり、エンジン１の運転条件を含む車両の運転状態は、車両運転状態検出手段１１によって検出される。その検出信号としては、車速、エンジン回転数（Ｎｅ）、エンジン負荷（Ｂｏｏｓｔ）、エンジン冷却水温（Ｔｗ）、エンジン油温（Ｔoil）、排気温度（Ｔexh）等が用いられる。車両運転状態検出手段１１によって検出された運転状態は、排出ガス希釈適合条件検出手段１２によって、予め設定された条件に合致するか否か判定され、予め設定された条件に合致した場合には、該排出ガス希釈適合条件検出手段１２からの信号により、排出ガス希釈手段（希釈装置）１３が作動する。これにより、排出ガスを大気に放出する際に、予め空気により希釈する。つまり、排気管５から排出する際に、充分に大気に拡散希釈された状態と同じ程度にまで、予め一気に希釈するようにすれば、図３から明らかなように、超微小粒子が観察されるのを防ぐことができる。
【００１９】
図７は、希釈装置（排出ガス希釈手段１３）の具体的な一例を示す図である。上述したように、エンジン１から排出された燃焼ガスは、排気後処理装置３により環境への影響を減ずるように処理された後、マフラ４を通って排気管５の出口から車外に排出される。ここで、上記排気管５の中には、希釈空気排出管６が同心状をなすように配置されており、その上流に、希釈空気供給ポンプ７と、希釈用空気フィルタ８と、が設けられている。従って、希釈空気は、希釈用空気フィルタ８で浄化された後、希釈空気供給ポンプ７によって、希釈空気排出管６を通して排気管５の中に供給され、排出ガスを大気に排出する直前で希釈する。
【００２０】
図８は、排出ガス希釈適合条件検出手段１２の判定条件が車両の低速時および減速時である場合の車両走行中の希釈装置の作動状態の一例を示している。同図の最上段の欄は、車両の車速を示しており、所定の排気希釈基準車速以下となると、低車速希釈条件に合致するものとして、排出ガスの希釈が行われ、同様に、減速時には、減速希釈条件に合致するものとして、排出ガスの希釈が行われる。
【００２１】
図９は、排出ガス希釈適合条件検出手段１２の判定条件が、車両の低速時および減速時に加え、エンジン１の未暖機状態を含む場合の車両走行中の希釈装置の作動状態の一例を示している。エンジン１の未暖機状態つまり暖機途中にある場合には、排出ガス中の未燃の炭化水素が、排気後処理装置３が完全に暖機された状態よりも多く含有され、揮発性物質として排気中に多く存在する。エンジン１の暖機状態は、例えば、冷却水温もしくは潤滑油温によって示され、所定の排気希釈基準温度に達するまでの間、排出ガスの希釈が継続される。
【００２２】
次に、図１０は、エンジン１が筒内直接噴射式ガソリンエンジンであることを前提として、その暖機状態を、エンジン吸入圧力（スロットル弁下流の圧力）および排気温度から判定する例を示す図である。つまり筒内直接噴射式ガソリンエンジンにおいて、車速とエンジン回転数がある定められた条件にある場合に、エンジン１の吸入圧力が所定の成層運転時の吸入圧力と同じかこれよりも高い場合は、エンジン１が暖機完了状態にあると判定し、希釈を行わない。一方、成層運転時の吸入圧力より低い場合は、混合気濃度を濃くして運転していると判断して、エンジン１が暖機途中状態にあると判定し、希釈装置を作動させる。つまり排出ガスを大気に排出する直前で希釈する。
【００２３】
また、車速がある定められた条件にあり、かつエンジン回転数がある定められた回転数以下である場合に、排気温度が予め設定された値より高い場合は、エンジン１が暖機完了状態にあると判定し、希釈を行わない。一方、排気温度が予め設定された値より低い場合は、エンジンが暖機途中状態にあると判定し、希釈装置を作動させる。
【００２４】
図１１は、エンジン１の暖機状態を排気温度から検出する他の例を示す図である。車速がある値でかつエンジン回転数がある値より低い場合において、排気温度が予め設定された値より高い場合は、エンジン１が暖機完了状態にあると判定し、希釈を行わない。一方、排気温度が予め設定された値より低い場合は、エンジン１は暖機途中状態にあると判定し、希釈装置を作動させる。また、車速が或る値でかつエンジン回転数がある値より高い場合において、排気温度が予め設定された値より高い場合は、エンジンが暖機完了状態にあると判定し、希釈を行わない。一方、排気温度が予め設定された値より低い場合は、エンジン１が暖機途中状態にあると判定し、希釈装置を作動させる。この例は、トラックなどのように、貨物の積載状態によって、同一車速でもエンジンの運転状態が大幅に変わるような場合に適用できる。
【００２５】
図１２は、希釈装置の他の例を示す図である。燃焼ガスは、マフラ４を通って排気管５から車外に排出されるが、排気管５の中に、希釈空気排出管６が同心状に配置されており、その上流に、希釈空気供給ポンプ７と、希釈用空気フィルタ８と、が設けられている。ここで、本実施例では、希釈空気供給ポンプ７の下流側に、希釈空気加熱装置９が設けられている。従って、希釈空気は、希釈空気加熱装置９によって加熱された後に、排気管５の中に供給される。このように希釈空気を高温とすることで、排出ガスが大気に排出される直前で希釈される際に、粒子に付着した揮発性成分の蒸発が促進され、常温の空気で希釈するよりも、希釈途中での超微小粒子の発生を抑制する効果がある。
【００２６】
図１３は、希釈装置のさらに他の例を示す図である。燃焼ガスは、マフラ４を通って排気管５から車外に排出されるが、排気管５の中に、希釈空気排出管６が同心状に配置されており、その上流に、希釈空気供給ポンプ７と、希釈用空気フィルタ８と、が設けられている。ここで、本実施例では、希釈空気供給ポンプ７の下流側に、希釈空気を貯えるタンク装置１０が設けられている。このタンク装置１０は、内部に、希釈空気乾燥装置と希釈空気タンクと希釈空気噴射制御バルブとが組み込まれたものであり、希釈空気供給ポンプ７により圧送された希釈空気は、希釈空気乾燥装置で除湿された後、希釈空気タンクに貯蔵される。そして、車両運転状態が希釈条件と判定された場合は、希釈空気噴射制御バルブが開かれ、希釈空気排出管６を通して排気管５の中に乾燥した希釈空気が短時間に大量に供給される。
【００２７】
この実施例によれば、排出ガスを大気に排出する直前で希釈する際に、乾燥した空気を用いることで、粒子に付着した揮発性成分の揮発が促進され、大気と同じ湿度の空気で希釈するよりも、希釈途中での超微小粒子の発生が抑制される。なお、タンク装置１０として一体化された希釈空気乾燥装置と希釈空気タンクと希釈空気噴射制御バルブとを、それぞれ独立した部品として組み合わせることもでき、また、いずれかの部品のみを単独で希釈装置に適用することも可能である。
【００２８】
次に、図１４は、希釈装置のさらに他の例を示す図である。燃焼ガスは、マフラ４を通って排気管５から車外に排出されるが、排気管５の中に、希釈空気排出管１６が同心状に配置されており、その上流に、前述の各実施例と同様の希釈空気供給ポンプおよび希釈用空気フィルタ（いずれも図示せず）が設けられている。ここで、本実施例では、希釈空気排出管１６の先端は閉塞端となっており、該排出管１６の円筒面に、半径方向かつ下流側に向かう複数個の希釈空気排出孔１７が貫通形成されている。従って、希釈空気供給ポンプによって供給された希釈空気は、各希釈空気排出孔１７を通して排気管５内に噴出する。
【００２９】
この実施例によれば、排気管５における排出ガスの主流方向（大気への放出方向）と異なる方向に、希釈空気排出孔１７から希釈空気が噴射供給されるので、排出ガスと希釈空気との混合希釈が促進される。従って、希釈空気の噴射方向が排気管５の放出方向と同じ場合よりも、希釈途中での超微小粒子の発生を抑制することができる。
【００３０】
図１５は、希釈装置のさらに他の例を示す図である。この実施例は、前述した図１４の実施例と同様に、排出ガスと希釈空気との混合希釈の促進を図ったものであって、マフラ４から後方へ延びた排気管１５は、その先端部が、側方へ向かって開口するように、略９０°曲げられている。また排気管１５の基部は断面真円形（Ａ−Ａ線に沿った断面を符号１５１で示す）をなしているが、側方へ向かう先端部は、断面が偏平な楕円形（Ｂ−Ｂ線に沿った断面を符号１５２で示す）をなし、かつ断面積が基部よりも小さくなっている。この排気管１５の中心には、希釈空気排出管６が配置されているが、この希釈空気排出管６は、排気管１５の基部と平行に直線状に延びており、その先端開口は、排気管１５の湾曲部の内壁面に対向している。なお、希釈空気排出管６の上流には、前述の各実施例と同様の希釈空気供給ポンプおよび希釈用空気フィルタ（いずれも図示せず）が設けられている。
【００３１】
この実施例によれば、希釈空気の噴射方向が排気管１５の排出ガス放出方向と異なる方向に向かい、噴射された希釈空気が排気管１５の内壁面に衝突するので、図１４の実施例と同様に、排出ガスと希釈空気との混合希釈が促進される。従って、希釈空気の噴射方向が排気管５の放出方向と同じ場合よりも、希釈途中での超微小粒子の発生を抑制することができる。更に、この実施例では、排気管１５の出口部分の断面形状（１５２）が基部の断面形状（１５１）と異なり、かつ断面積が絞られているため、ここを通過する際に排出ガスと希釈空気との混合が促進され、大気に放出後の希釈途中での超微小粒子の発生が抑制される。
【００３２】
図１６は、希釈装置のさらに他の例を示す図であって、これは、特に、高速走行などで車両の後に空気の滞留領域ができ排出ガスが滞るような場合に希釈を迅速に行なえるようにした例を示している。この実施例では、マフラ４から後方へ排気管２５が延びているが、この排気管２５の外周部に、該排出管２５を同心状に囲むように希釈空気排出管２６が設けられている。この希釈空気排出管２６は、車両の高速走行中に車速風を希釈空気として取り込むように、マフラ４外周部において、上流端が大きく開口した構造を有している。従って、希釈空気は、排気管２５の外周部に導かれ、排気管２５から排出されるガスを希釈する。希釈空気排出管２６は先端が内側に狭まった形状となっており、希釈空気の噴出方向が内側へ向かい、排気管２５から排出されるガスと混合しやすい構造となっている。従って、高速走行などで車両の後に空気の滞留領域ができ排出ガスが滞るような場合でも、車両から排出される時点で、排出ガスが希釈空気によって希釈された後に排出されるので、希釈途中での超微小粒子の発生を抑制する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】車両から排出された排出ガスの大気中での希釈状態を説明する説明図。
【図２】エンジン排出後の粒子状物質の変化を模式的に示す説明図。
【図３】希釈率により異なる粒子状物質の粒径分布を示す特性図。
【図４】車両走行中の空気の流れを示す説明図。
【図５】車両の停止中もしくは非常に低速での空気の流れを示す説明図。
【図６】本発明による排出ガス浄化装置の機能ブロック図。
【図７】希釈装置の一例を示す説明図。
【図８】希釈装置の作動の一例を示すタイムチャート。
【図９】希釈装置の作動の異なる例を示すタイムチャート。
【図１０】希釈条件の判定の一例を示す説明図。
【図１１】希釈条件の判定の異なる例を示す説明図。
【図１２】希釈装置の異なる例を示す説明図。
【図１３】希釈装置のさらに異なる例を示す説明図。
【図１４】希釈装置のさらに異なる例を示す説明図。
【図１５】希釈装置のさらに異なる例を示す説明図。
【図１６】希釈装置のさらに異なる例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３４】
１…エンジン
２…エンジンコントロールユニット
３…排気後処理装置
４…マフラ
５…排気管
６…稀釈空気排出管
７…稀釈空気供給ポンプ
８…稀釈用空気フィルタ
９…稀釈空気加熱装置
１０…タンク装置
１５…排気管
１６…稀釈空気排出管
１７…稀釈空気排出孔
２５…排気管
２６…稀釈空気排出管  
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２】
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