(57)【要約】【課題】粒子状物質の集塵および燃焼の効率を高くする。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられるハニカム構造の担体と、担体よりも上流側に設けられるハニカム構造の金属製の上流側部材と、担体よりも下流側に設けられるハニカム構造の金属製の下流側部材と、上流側部材または下流側部材の一方に接続され電圧を印加する電圧制御回路と、を備え、上流側部材または下流側部材の他方が接地される。【選択図】図１
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【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るハニカム構造の担体と、
前記担体よりも上流側に設けられるハニカム構造の金属製の上流側部材と、
前記担体よりも下流側に設けられるハニカム構造の金属製の下流側部材と、
前記上流側部材または前記下流側部材の一方に接続され電圧を印加する電圧制御回路と、
を備え、
前記上流側部材または前記下流側部材の他方が接地される、
内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記担体に粒子状物質が集塵されるように前記電圧制御回路が電圧を印加し、
前記担体に集塵された粒子状物質がプラズマにより燃焼されるように前記電圧制御回路が電圧を印加する、
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記上流側部材よりも上流側または前記下流側部材よりも下流側に設けられ通電により発熱する発熱体をさらに備える、
請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定排出量以上、かつ、前記発熱体の発熱量が所定発熱量未満の場合、前記発熱体に通電することにより粒子状物質を燃焼させる、
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定排出量以上、かつ、前記発熱体の発熱量が所定発熱量以上の場合、前記発熱体に通電することに加え、さらに、前記電圧制御回路が前記上流側部材または前記下流側部材の一方に電圧を印加してプラズマを発生させることにより粒子状物質を燃焼させる、
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
一端が第一電極に接続され、他端が第二電極に接続され、通電により発熱する発熱体と、
前記第一電極に電圧を印加する第一電圧制御回路と、
前記第二電極に前記第一電圧制御回路よりも高い電圧を印加する第二電圧制御回路と、
前記第二電極を、前記第二電圧制御回路又は接地の何れかに接続させるスイッチング回路と、
接地されている金属板と、
前記発熱体と前記金属板とに挟まれ、前記発熱体と前記金属板とを電気的に絶縁する絶縁層と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記スイッチング回路が、前記第二電極を前記第二電圧制御回路に接続させ、前記第二電圧制御回路が、前記第二電極に電圧を印加することで、前記金属板に粒子状物質を集塵する、
請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記スイッチング回路が、前記第二電極を接地させ、前記第一電圧制御回路が、前記第一電極に電圧を印加することで、前記発熱体を発熱させて粒子状物質を燃焼させる、
請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記スイッチング回路が、前記第二電極を前記第二電圧制御回路に接続したときに、前記第二電圧制御回路が、前記第二電極に所定の周波数で電圧を印加する、
請求項７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】
排気中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を、電界の形成に伴う電気集塵的効果により集塵し、その後、集塵したＰＭを放電プラズマにより燃焼させる技術が知られている（例えば、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２００４−１７６７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、ＰＭを集塵する領域の面積が狭いため、ＰＭを集塵および燃焼させる効果が小さい。
【０００５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、粒子状物質の集塵および燃焼の効率を高くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の態様の一つは、内燃機関の排気通路に設けられるハニカム構造の担体と、前記担体よりも上流側に設けられるハニカム構造の金属製の上流側部材と、前記担体よりも下流側に設けられるハニカム構造の金属製の下流側部材と、前記上流側部材または前記下流側部材の一方に接続され電圧を印加する電圧制御回路と、を備え、前記上流側部材または前記下流側部材の他方が接地される、内燃機関の排気浄化装置である。
【０００７】
また、上記課題を解決するための本発明の態様の一つは、一端が第一電極に接続され、他端が第二電極に接続され、通電により発熱する発熱体と、前記第一電極に電圧を印加する第一電圧制御回路と、前記第二電極に前記第一電圧制御回路よりも高い電圧を印加する第二電圧制御回路と、前記第二電極を、前記第二電圧制御回路又は接地の何れかに接続させるスイッチング回路と、接地されている金属板と、前記発熱体と前記金属板とに挟まれ、前記発熱体と前記金属板とを電気的に絶縁する絶縁層と、を備える内燃機関の排気浄化装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、粒子状物質の集塵および燃焼の効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】ＰＭが集塵されるしくみを示した図である。
【図３】プラズマによりＰＭを燃焼させるしくみを示した図である。
【図４】ＰＭの粒径とＰＭの数との関係を示した図である。
【図５】上流側と下流側とでＰＭの数を比較した図である。
【図６】第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態に係る発熱体への通電制御を示したフローチャートである。
【図８】第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図９】第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の断面図である。
【図１０】図９におけるＺで示した範囲の拡大図である。
【図１１】第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図であって、スイッチング回路が第二電極を電気的に接地させている場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る内燃機関１００の排気浄化装置の概略構成図である。内燃機関１００には排気管１０１が接続されている。排気管１０１には、排気の流れ方向の上流側から順に、上流側金属部２、担体１、下流側金属部３が隣接して設けられている。なお、下流側金属部３よりもさらに下流側にフィルタや触媒を設けていてもよい。上流側金属部２及び下流側金属部３は、金属をハニカム構造に形成して構成されている。担体１は、セラミックをハニカム構造に形成した構成されている。なお、担体１は、フィルタとして形成されたものであってもよい。本実施形態における上流側金属部２が本発明における上流側部材に相当し、本実施形態における下流側金属部３が本発明における下流側部材に相当する。
【００１２】
上流側金属部２には、第一電極４１が接続されており、下流側金属部３には、第二電極４２が接続されている。第一電極４１は、電線を介して昇圧回路２２に接続されている。昇圧回路２２には、該昇圧回路２２を制御する電子制御装置であるＥＣＵ２１、及び、昇圧回路２２に電力を供給する電源２０が電気的に接続されている。第二電極４２は、接地されている。なお、第一電極４１に代えて第二電極４２を昇圧回路２２に接続し、且つ、第二電極４２に代えて第一電極４１が接地されていてもよい。電源２０の電圧は、例えば４８Ｖである。なお、昇圧回路２２は、負の電圧（例えば−４ｋＶ）を印加する。なお、本実施形態では、昇圧回路２２が本発明における電圧制御回路に相当する。ＥＣＵ２１と昇圧回路２２とは一体であってもよい。
【００１３】
本実施形態では、担体１を上流側金属部２及び下流側金属部３で挟み、上流側金属部２と下流側金属部３とに電位差を生じさせることによりＰＭを集塵する。このように構成された排気浄化装置におけるＰＭの集塵について図２及び図３を用いて説明する。図２は、ＰＭが集塵されるしくみを示した図である。図３は、プラズマによりＰＭを燃焼させるしくみを示した図である。ＰＭが集塵されるときには以下の（１）〜（８）に示される現象が起こっていると考えられる。なお、下記（１）〜（８）は、図３に示した（１）〜（８）に対応する。
（１）上流側金属部２から放出された電子によりＰＭが（−）に帯電する。
（２）電圧の印加によりＰＭから電子が奪われてＰＭが（＋）に帯電する。
（３）電子が下流側金属部３に到達して電流が流れる。
（４）静電力によりＰＭが集塵される。
（５）静電力によりＰＭが下流側金属部３に引き寄せられる。
（６）下流側金属部３において集塵されたＰＭによって排気抵抗が増加し、下流側金属部３からＰＭが剥離する。
（７）上記（６）のときに電子を放出し電流が流れる。
（８）排気管１０１内の他のＰＭと接触して集塵される。
【００１４】
また、絶縁体である担体１の沿面をプラズマ（ストリーマ又はコロナとしてもよい。）が発生し易い特性がある。すなわち、担体１にＰＭが堆積すると、上流側金属部２と下流側金属部３との間の電気抵抗が低下するため、プラズマが発生し易い。この特性を利用してＰＭを燃焼させる。昇圧回路２２から第一電極４１に高電圧を印加することにより、担体１の沿面にプラズマが発生すると、このプラズマによりＰＭが燃焼され除去される。図４は、ＰＭの粒径とＰＭの数との関係を示した図である。また、図５は、担体１の上流側と下流側とでＰＭの数を比較した図である。ＰＭが静電力により集塵されると、ＰＭの数が減少する。上流側と下流側とで比較すると、ＰＭの数がおよそ６７％減少したことが確認された。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態によれば、セラミックの担体１を金属製の上流側金属部２及び下流側金属部３で挟んで電圧を印加することにより、ＰＭを凝集させるとともに、このＰＭを担体１で集塵するため、ＰＭを集塵する面積をより広くすることができる。これにより、ＰＭの集塵効率を高めることができる。また、プラズマを発生させることによりＰＭの燃焼を促進させることができる。
【００１６】
＜第２実施形態＞
図６は、本実施形態に係る内燃機関１００の排気浄化装置の概略構成図である。第１実施形態と異なる点について主に説明する。上流側金属部２よりも上流側に、発熱体３０が隣接して設けられている。発熱体３０には、通電により発熱する材料が用いられ、発熱体３０はハニカム状に形成されている。発熱体３０と上流側金属部２とは電気的に絶縁されている。発熱体３０には、第一電極３１及び第二電極３２が接続されている。第一電極３１には、ＥＣＵ２１に接続されており、ＥＣＵ２１を介して電源２０から電力が供給される。第二電極３２は接地されている。このため、ＥＣＵ２１が第一電極３１に電力を供給することにより、発熱体３０内部を第一電極３１から第二電極３２へ向けて電流が通る。このように構成された排気浄化装置では、発熱体３０に通電することで発熱体から熱を発生させ、この熱により担体１の温度を上昇させ、以てＰＭを燃焼させることができる。また、発熱体３０への通電だけではＰＭを燃焼しきれない場合には、第１実施形態で説明したように、プラズマを発生させることによりＰＭを燃焼させることもできる。なお、本実施形態では、上流側金属部２よりも上流に発熱体３０を設けているが、これに代えて、下流側金属部３よりも下流側に発熱体３０を隣接して設けてもよい。
【００１７】
図７は、本実施形態に係る発熱体３０への通電制御を示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ２１により所定の時間毎に実行される。
【００１８】
ステップＳ１０１では、内燃機関１００からのＰＭの排出量が所定排出量以上であるか否か判定される。ここでいうＰＭの排出量は、前回にＰＭを燃焼させたときから現時点までに内燃機関１００から排出されたＰＭの総量である。内燃機関１００からＰＭの単位時間当たりの排出量は、内燃機関１００の運転状態（例えば、機関回転速度および機関負荷）と関連性を有するため、内燃機関１００の運転状態に基づいて推定可能である。ＰＭの単位時間当たりの排出量を積算することにより、内燃機関１００から排出されたＰＭの総量を算出することができる。所定排出量は、ＰＭを燃焼させる必要が生じる排出量である。ステップＳ１０１で肯定判定された場合にはステップＳ１０２へ進み、否定判定された場合には本フローチャートを終了させる。
【００１９】
ステップＳ１０２では、発熱体３０での発熱量が所定発熱量以上であるか否か判定される。所定発熱量は、発熱体３０への通電だけでは担体１からＰＭを除去できないと考え得る発熱量である。そして、所定発熱量は、プラズマによるＰＭの燃焼を開始するトリガとなる発熱量である。ステップＳ１０２で肯定判定された場合にはステップＳ１０３へ進み、否定判定された場合にはステップＳ１０４へ進む。ステップＳ１０３では、発熱体３０
に通電することにより発熱体３０から発熱させ、その後、ステップＳ１０５へ進んで、上流側金属部２と下流側金属部３との間に電圧を印加することにより、上流側金属部２と下流側金属部３との間にプラズマを発生させてＰＭを燃焼させる。一方、ステップＳ１０４では、発熱体３０に通電することにより発熱体３０から発熱させてＰＭを燃焼させる。
【００２０】
ステップＳ１０６では、ＰＭの除去が完了したか否か判定される。たとえば、担体１よりも上流と下流との差圧が所定の差圧以下であれば、ＰＭの除去が完了したと判定される。ステップＳ１０６で肯定判定された場合には本フローチャートが終了され、否定判定された場合にはステップＳ１０２へ戻る。このようにして、発熱体３０を併用してＰＭを燃焼させることもできる。
【００２１】
＜第３実施形態＞
図８は、本実施形態に係る内燃機関１００の排気浄化装置の概略構成図である。図９は、本実施形態に係る内燃機関１００の排気浄化装置の断面図である。図１０は、図９におけるＺで示した範囲の拡大図である。上記実施形態と異なる点について主に説明する。本実施形態では、内燃機関１００の排気管１０１にＰＭ処理部３００と後処理触媒３０１とが排気の流れ方向に順に設けられている。後処理触媒３０１は例えば酸化機能を有する触媒である。なお、後処理触媒３０１よりも下流側に更にフィルタを設けていてもよい。
【００２２】
ＰＭ処理部３００には、第一電極３１及び第二電極３２が接続されている。第一電極３１は、ＥＣＵ２１を介して電源２０に接続されており、第二電極３２は、スイッチング回路２３に接続されている。スイッチング回路２３は、ＥＣＵ２１からの信号により作動し、第二電極３２の接続先を、昇圧回路２２または接地の何れかとする回路である。なお、図８において破線の矢印は、電気の流れを示している。なお、本実施形態ではＥＣＵ２１が、本発明における第一電圧制御回路に相当し、昇圧回路２２が、本発明における第二電圧制御回路に相当する。
【００２３】
ＰＭ処理部３００は、電気的に接地されている筒状のケース３６を有している。ケース３６内には、通電により発熱する担体３８と、電気的な経路の形状を維持するための複数のサポートピン３３と、電気経路の短絡を抑制するための絶縁層３４，３７と、ケース３６に接続されている２枚の金属板３５とが設けられている。ケース３６内に収容される担体３８は、外壁面が円柱状となるように形成されており、ケース３６と担体３８との間に絶縁層３４が設けられることにより、担体３８とケース３６との間で短絡が起こることを抑制している。
【００２４】
担体３８内には、２枚の金属板３５がケース３６の中心軸を中心として渦巻き状に配置されている。２枚の金属板３５は互いに接しないように、例えば１８０度ずらして配置される。夫々の金属板３５の外側の端部は、ケース３６に接続されており、そのため、金属板３５は電気的に接地された状態となる。また、金属板３５の両面にも絶縁層３７が形成されている。したがって、金属板３５と担体３８との間で短絡が起こることを抑制している。第一電極３１と第二電極３２とに電位差があると、渦巻き状の担体３８に電気が流れる。すなわち、担体３８の一端に第一電極３１が接続され、担体３８の他端に第二電極３２が接続されているといえる。
【００２５】
ＰＭ処理部３００においてＰＭを集塵する際には、スイッチング回路２３が図８に示した状態、すなわち、第二電極３２を昇圧回路２２に接続している状態となるように、ＥＣＵ２１がスイッチング回路２３を制御する。さらに、ＥＣＵ２１が昇圧回路２２を作動させる。これにより、担体３８内では、担体３８と金属板３５との間に高電圧（例えば−４ｋＶ）が印加されることにより、第１実施形態で説明した（１）〜（８）の現象が、担体３８、金属板３５、および絶縁層３４で起こり得る。すなわち、スイッチング回路２３が
第二電極３２を昇圧回路２２に接続している状態では、ＰＭが凝集して金属板３５にＰＭが集塵される。そして、担体３８と金属板３５との間にプラズマが発生して、ＰＭを燃焼させる。なお、このときに所定の周波数で高電圧を印加してもよい。そうすると、よりストリーマ、又は、コロナが発生し易くなるため、ＰＭの集塵および燃焼効果をより高めることができる。この所定の周波数は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。
【００２６】
図１１は、本実施形態に係る内燃機関１００の排気浄化装置の概略構成図であって、スイッチング回路２３が第二電極３２を電気的に接地させている場合を示している。図１１において破線の矢印は、電気の流れを示している。この場合、第一電極３１から第二電極３２へ電流が流れる（すなわち、担体３８に通電される）ことにより、担体３８が発熱する。この発熱による温度上昇により、ＰＭを燃焼させることができる。
【００２７】
なお、ＰＭの燃焼は、担体３８を発熱させることにより行うこともできるし、第１実施形態と同様にプラズマを発生させることにより行うこともできる。また、担体３８の発熱量が所定発熱量に達するまでは担体３８を発熱させることによりＰＭを燃焼させ、担体３８の発熱量が所定発熱量以上になった場合に、プラズマによるＰＭの燃焼に切り替えてもよい。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態によれば、金属板３５においてＰＭを集塵することができる。また、金属板３５を渦巻き状に配置することにより、ＰＭを集塵する面積をより広くすることができる。また、プラズマを発生させることによりＰＭの燃焼を促進させることができる。また、担体３８を発熱させることによりＰＭの燃焼を促進させることもできる。
【符号の説明】
【００２９】
１  担体
２  上流側金属部
３  下流側金属部
２０  電源
２１  ＥＣＵ
２２  昇圧回路
２３  スイッチング回路
３０  発熱体
３１  第一電極
３２  第二電極
３３  サポートピン
３４  絶縁層
３５  金属板
３６  ケース
３７  絶縁層
３８  担体
４１  第一電極
４２  第二電極
１００  内燃機関
１０１  排気管
３００  ＰＭ処理部
【図１】
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【図２】
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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】
2019203459.tif 000011
【図１０】
2019203459.tif 000012
【図１１】
2019203459.tif 000013