(57)【要約】【課題】内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、システム外に排出される排気中のＰＭ粒子数を可及的に抑制する。【解決手段】内燃機関システムにおいて、粒子状物質処理装置の下流側の排気通路における排気中の粒子物質量を推定し、その推定された粒子状物質量が所定量より多い場合に、前記内燃機関から排出される排気中の粒子状物質量に関連する該内燃機関の運転状態を、該排気中の粒子状物質量が減少するように一時的に変更する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、
前記粒子状物質処理装置の下流側の排気通路における排気中の粒子状物質量を推定、または検出する推定手段と、
前記推定手段によって推定された粒子状物質量が所定量より多い場合に、前記内燃機関から排出される排気中の粒子状物質量に関連する該内燃機関の運転状態を、該排気中の粒子状物質量が減少するように一時的に変更する運転状態制御手段と、
を備える内燃機関システム。
【請求項２】
前記運転状態制御手段は、前記内燃機関が機関始動しその暖機が完了するまでの期間に限って、該内燃機関の運転状態を、排気中の粒子状物質量が減少するように一時的に変更する、
請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記運転状態制御手段は、前記内燃機関の機関出力が一定となる条件の下で、該内燃機関の運転状態を、排気中の粒子状物質量が減少するように一時的に変更する、
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関システム。
【請求項４】
前記運転状態制御手段は、少なくとも前記内燃機関の機関回転数と機関負荷を調整することで、該内燃機関の運転状態を一時的に変更するものであって、
前記内燃機関の機関回転数は、前記運転状態制御手段によって、該運転状態制御手段による調整前の調整前機関回転数を含む許容範囲に属する機関回転数に調整される、
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の内燃機関システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に電極を有し、その電極への電圧印加によって排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることにより粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＰＭを凝集させることにより、結果的には、単位体積当たりに含まれるＰＭの粒子数を減少させることができる。また、凝集の結果としてのＰＭは、その粒子径が大きくなるため、例えば、放電電極の下流側にフィルタを設けた場合には、該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９４１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気通路に電極を設け、該電極に電圧印加をすることで排気通路を流れる排気中のＰＭを帯電させて、ＰＭを凝集させることで、排気に含まれる単位体積当たりのＰＭ数を低減させることが可能となる。これは、ＰＭの粒子数に起因する環境への負荷軽減に大きく寄与するものである。
【０００５】
ここで、上述した帯電によるＰＭ除去を内燃機関の排気通路で行っている場合であっても、内燃機関における燃料の燃焼条件等によっては排気中に含まれるＰＭ粒子数が多くなり、結果的に上記ＰＭ除去を行った場合であっても十分にＰＭの除去を行いきれない可能性がある。たとえば、内燃機関が機関始動した直後においては、その暖機が十分でないため内燃機関全体の温度が低く燃料の燃焼が好適に行われにくい状況にある。そのため、内燃機関から排出される排気に含まれるＰＭ粒子数は、この機関始動直後では比較的多くなり、その場合、上記ＰＭ除去を行ったとしても排気中のＰＭ粒子数を十分に低減しきれない可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、システム外に排出される排気中のＰＭ粒子数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】
本発明においては、上記課題を解決するために、内燃機関システムにおいて、帯電によるＰＭ除去を行った後での排気中に含まれるＰＭ粒子数が多くなった場合には、内燃機関の運転状態を変更することで、排気に含まれるＰＭ粒子数を一時的に減少させる構成を採用した。排気中に含まれるＰＭ粒子数は内燃機関の運転状態と密接な関連性を有していることを踏まえて、システム外に排出される排気中のＰＭ粒子数を抑制することが可能となる。
【０００８】
詳細には、本発明は、内燃機関と、前記内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更
可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、を備える内燃機関システムであって、更に、前記粒子状物質処理装置の下流側の排気通路における排気中の粒子状物質量を推定、または検出する推定手段と、前記推定手段によって推定された粒子状物質量が所定量より多い場合に、前記内燃機関から排出される排気中の粒子状物質量に関連する該内燃機関の運転状態を、該排気中の粒子状物質量が減少するように一時的に変更する運転状態制御手段と、を備える構成とする。
【０００９】
本発明に係る内燃機関システムでは、粒子状物質処理装置によって、排気通路に設けられた電極への電圧印加が制御されることで、電極と排気通路との間の空間、すなわち排気が流れる空間（以下、「帯電空間」という。）に電流が流れ、以て排気中のＰＭが帯電されることになる。その結果、ＰＭ同士が静電気力によって凝集したり、また、帯電したＰＭが排気通路側へ誘引され、そこでＰＭ同士が凝集したりする結果、排気中のＰＭの粒子径が大きくなるとともに、そこに含まれる単位体積当たりの粒子数を低減することが可能となる。
【００１０】
ここで、排出される排気中に含まれるＰＭ粒子数は、内燃機関の運転状態と大きな関連性を有している。すなわち、内燃機関での燃焼状態において、単位体積当たりの燃料量が増加するほどＰＭの発生量は増加する傾向にある。そのため、内燃機関の運転状態に応じて排気中に含まれるＰＭ粒子数は変動することになる。その結果、上記粒子状物質処理装置によるＰＭ除去処理を行った場合であっても、内燃機関から排出された排気に含まれるＰＭ粒子数がいまだ多いことにより、システム外に排出される排気中のＰＭ粒子数を少なく抑えるのが難しくなる可能性がある。
【００１１】
そこで、本発明に係る内燃機関システムでは、推定手段により粒子状物質処理装置によってＰＭ除去の処理が行われた排気中に含まれるＰＭ粒子数が推定、又は検出され、その推定等されたＰＭ粒子数が、適切な排気中のＰＭ粒子数の基準となる所定量より多い場合には、運転状態制御手段により、内燃機関の運転状態、すなわち排気中に含まれるＰＭの粒子数に関連する該内燃機関の運転状態を変更することで、排気中のＰＭ粒子数を一時的に減少させる。排気中に含まれるＰＭの粒子数に関連する内燃機関の運転状態としては、たとえば、内燃機関の機関負荷や機関回転数等が例示できる。一般的に、内燃機関の運転状態は、所定の目的（たとえば、燃費効率を好適な状態に維持する、排気中のＮＯｘ量を可及的に抑制する等）に応じて、本来あるべき運転状態で運転されている。しかし、本発明に係る内燃機関システムでは、運転状態制御手段によって、その本来あるべき運転状態を一時的に変更させて、排気中に含まれるＰＭ粒子数の減少を優先的に図るものである。なお、この運転状態の変更は一時的であるから、排気中のＰＭ粒子数が減少した状態になれば、本来あるべき運転状態へ復帰すればよい。これにより、上記所定の目的の逸脱を可及的に小さく抑えることができる。
【００１２】
このように本発明に係る内燃機関システムでは、システム外に排出される排気中に含まれるＰＭ粒子数を、可及的に少なく抑えることが可能となる。
【００１３】
ここで、上記内燃機関システムにおいて、前記運転状態制御手段は、前記内燃機関が機関始動しその暖機が完了するまでの期間に限って、該内燃機関の運転状態を、排気中の粒子状物質量が減少するように一時的に変更してもよい。内燃機関が機関始動しその暖機が完了するまでの期間、すなわち、内燃機関の暖機が完了していない状態にある期間では、排気中に含まれるＰＭ粒子数が、暖機が完了している場合と比べて多くなる。そこで、当該期間におけるＰＭの排出抑制は、環境負荷の軽減の観点から極めて重要である。そこで、当該期間においては、優先的に排気中のＰＭ粒子数を減少させる技術的意義は大きいものであり、以て、上記のとおり、運転状態制御手段による運転状態の一時的な変更を当該
期間に限って行うことで、効果的なＰＭの排出抑制を実現することが可能となる。
【００１４】
また、上述までの内燃機関システムにおいて、前記運転状態制御手段は、前記内燃機関の機関出力が一定となる条件の下で、該内燃機関の運転状態を、排気中の粒子状物質量が減少するように一時的に変更してもよい。このようにすることで、少なくとも内燃機関システムとして外部に発揮し得る出力を一定としながら、排気中のＰＭ粒子数を減少させることが可能となる。そのため、少なくとも内燃機関システムによる負荷駆動への影響を抑制することが可能となる。
【００１５】
また、上述までの内燃機関システムにおいて、前記運転状態制御手段は、少なくとも前記内燃機関の機関回転数と機関負荷を調整することで、該内燃機関の運転状態を一時的に変更するものであってもよい。そして、前記内燃機関の機関回転数は、前記運転状態制御手段によって、該運転状態制御手段による調整前の調整前機関回転数を含む許容範囲に属する機関回転数に調整されてもよい。このように運転状態制御手段によって、運転状態としての内燃機関の機関回転数が変更される場合、その変更幅を上記許容範囲に限ることで、急激な回転数の変更に起因する負荷駆動への影響やシステムユーザへの影響等を抑えることができる。特に、内燃機関の機関出力が一定となるように変更するために機関回転数を変更しようとして、その変更量が大きくなり過ぎると、内燃機関システムにより駆動される負荷の駆動状態が不安定となったり、内燃機関システムのユーザに不快感を与えたりするおそれがあるため、上記のとおり、機関回転数の変更幅を許容範囲に限ることは有用である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、システム外に排出される排気中のＰＭ粒子数を可及的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す内燃機関システムで実行される、排気中のＰＭ粒子数を除去する処理に関するフローチャートである。
【図３】機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。
【図４】内燃機関からの排気流量とＰＭ粒子数とから、印加電圧を算出するためのマップの一例を示した図である。
【図５】図１に示す内燃機関システムで実行される、システム外に排出される排気中のＰＭ粒子数を低減させるＰＭ低減処理に関するフローチャートである。
【図６】内燃機関の運転状態と、排気流量および排気中に含まれるＰＭ粒子数の相関を示す第一のグラフである。
【図７】内燃機関の運転状態と、排気流量および排気中に含まれるＰＭ粒子数の相関を示す第二のグラフである。
【図８】本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの概略構成を示す第二の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置１を有する内燃機関システムの概略構成を示す図である。当該内燃機関システムは、内燃機関１０としてのガソリン機関を有し、その出力がシステムの主な出力として外部への負荷へ供給される。たとえば、当該内燃機関システムは、車両等の移動体上に搭載することができ、システム出力を移動体の駆動力として利用できる。そして、この内燃機関システムにおいて、粒子状物質処理装置１が、ガソリン機関の排気通路２上に設けられている。また、別法として、粒子状物質処理装置１は、内燃機関としてのディーゼル機関の排気通路に設けることもできる。いずれの内燃機関の排気通路に設けられる場合であれ、電極５への電圧印加により排気中のＰＭを帯電させ、ＰＭ同士の凝集を促進させることで、排気中のＰＭの粒径増大、それに伴う粒子数の低減を図ることができる。以下に、粒子状物質処理装置１の詳細を説明する。
【００２０】
粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。なお、本実施例においてはハウジング３の内部の空間が、上記の帯電空間となる。
【００２１】
ここで、排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間には電気的絶縁状態が形成されている。
【００２２】
ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。このため、電極５の端部はハウジング３の中心軸近傍に位置する。また、電極５とハウジング３とが直接接触して電気が流れないように、電極５には電気的絶縁体からなる碍子部５１が設けられている。この碍子部５１は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。このように碍子部５１を介して電極５がハウジング３に取り付けられることで、該電極５がハウジング３内の帯電空間内に位置することになる。
【００２３】
そして、電極５は電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。
【００２４】
また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。このような構成により、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。
【００２５】
なお、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温度センサ７３、エアフローメータ７４が接続されている。アクセル開度センサ７１は、粒子状物質処理装置１が接続された内燃機関を搭載する車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、その機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、当該内燃機関の機関回転数を検出する。温度センサ７３は、当該内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、当該内燃機関の吸入空気量を検出する。
【００２６】
このように構成された粒子状物質処理装置１では、電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出され、電極５とハウジング３との間の帯電空間を通して電流が流れる。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３を通り、設置側電線５３を介して外部へと流れ出る。この結果、ハウジング３へ電子を放出したＰＭ同士は、互いに凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数は低減する。このように、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つ排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数を低減させることができる。
【００２７】
なお、本実施例では、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げているが、これに代えて、下流側に向けて折り曲げてもよい。ここで、本実施例のように、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し難い。すなわち、碍子部５１よりも上流側においてＰＭを帯電されることができるため、該ＰＭがハウジング３の内周面に向かう。このため、碍子部５１に衝突するＰＭが減少するので、該碍子部５１にＰＭが付着し難くなる。しかし、電極５を排気の流れの上流側へ向けて折り曲げると、排気の流れから力を受けて電極５が変形し易い。このため、電極５が短い場合に適している。一方、電極５を排気の流れの下流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し易いが、排気の流れから力を受けても電極５が変形し難い。このため、耐久性及び信頼性が高く、電極５を長くすることができる。
【００２８】
図２は、本実施例に係る印加電圧の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関の稼働に併せて、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。この制御装置７は、実質的にはＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等を含むコンピュータに相当し、そこで制御プログラムが実行されることで図２に示すフローチャートに係る処理や後述する図５に示すフローチャートに係る処理、その他の処理等が実行される。
【００２９】
まず、Ｓ１０１からＳ１０３の処理において、排気中に含まれるＰＭ粒子数（個／ｃｍ３）が算出される。ＰＭ粒子数は、一立方センチメートルあたりのＰＭ粒子の数である。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。
【００３０】
このため、Ｓ１０１では、機関回転数及び機関負荷が取得される。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、Ｓ１０２では、内燃機関の温度が取得される。内燃機関の温度は温度センサ７３により検出される。
【００３１】
Ｓ１０３では、ＰＭ粒子数が算出される。ここで、図３は、機関回転数と機関負荷とか
ら、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。この関係は、内燃機関の温度に応じて制御装置７が複数記憶している（図３に示すのは、内燃機関の温度が２０℃の場合のマップである。）。そして、Ｓ１０２で検出された内燃機関の温度に応じたマップを用いて機関回転数及び機関負荷からＰＭ粒子数が求められる。このマップは、予め実験等により準備されている。なお、このようなマップを用いてＰＭ粒子数を検出してもよいが、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を直接検出してもよい。
【００３２】
次に、Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出されるＰＭ粒子数に基づいて電極５への印加電圧が算出される。この印加電圧は、内燃機関が始動し排気通路２内を排気が流れ始めたときに電極５へ最初に印加する電圧である。そして、Ｓ１０４で算出される印加電圧を初期値として、過電流が発生しない範囲で印加電圧が最も大きくなるようにフィードバック制御を行う（Ｓ１０５の処理）。具体的には、検出装置９によって検出される電流値が所定の閾値を超えないように、電極５への印加電圧がフィードバック制御される。ここで、印加電圧の初期値は図４に示すマップに基づいて設定される。
【００３３】
図４は、内燃機関からの排気流量（ｇ／ｓｅｃ）とＰＭ粒子数（×１０５個／ｃｍ３）とから、印加電圧（Ｖ）を算出するためのマップの一例を示した図である。このマップは、予め実験等により準備される。内燃機関からの排気流量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。
【００３４】
ここで、排気通路２を流れる排気流量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、帯電したＰＭ同士が凝集しやすくなる。したがって、排気流量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭ同士が凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、排気流量が少ないほど印加電圧が小さくされている。一方で、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、ＰＭ粒子数が多いほど印加電圧は小さくされている。なお、印加電圧の初期値としては、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような電圧値としてもよく、また、印加電圧の初期値を予め定めておいた規定値としてもよい。この規定値は、過電流が発生しないように余裕を持たせた値とすることができる。
【００３５】
このように、図２に示すように電極５への印加電圧をフィードバック制御することで、過電流が発生しない範囲で印加電圧を可及的に高くすることができる。これにより、ＰＭの凝集をより促進させることができるため、ＰＭ粒子数をより減少させることができる。この図２に示す処理は、以降、「ＰＭ除去処理」と言う。
【００３６】
ここで、内燃機関１０から排出される排気中に含まれるＰＭ粒子数は、内燃機関１０における燃料の燃焼条件に大きく依存する。たとえば、内燃機関１０での燃焼において単位体積当たりの燃料量が多くなるほど、排気中のＰＭ粒子数は増加する傾向にある。図２に示すＰＭ除去処理では、排気中のＰＭ粒子数に応じた印加電圧のフィードバック制御が行われることから、可及的に排気中のＰＭ粒子数の低減が実現されているが、それでも排気中の粒子数が比較的多くなるような燃焼条件が内燃機関１０で成立している場合には、十分なＰＭ除去が困難となり得る。
【００３７】
そこで、本出願人は、内燃機関１０の運転状態と排気中のＰＭ粒子数の相関に着目した。内燃機関１０の運転状態はそこでの燃料の燃焼条件を決定する要因である。たとえば、内燃機関１０の運転状態としては、機関負荷や機関回転速度等が挙げられ、これらのパラ
メータが変動すると燃焼室での空気量と燃料量の比が変化することから排気中のＰＭ粒子数との相関性を見出すことができる。これらのパラメータ以外にも、燃料の点火（着火）時期や燃料の噴射時期等、燃焼の結果生成されるＰＭの量に関連する内燃機関１０に関するパラメータも、該内燃機関１０の運転状態を表すものとして採用できる。
【００３８】
また、内燃機関１０が機関始動しその暖機が完了していない期間（以下、「暖機未完了期間」という。）では、内燃機関全体の温度も比較的低く、そこでの燃料燃焼が理想的な状態で行われにくいため、排気中に含まれるＰＭ粒子数が、内燃機関の暖機が完了した状態と比べて相対的に多くなる。本出願人の実験によれば、内燃機関を停止状態から一定速度での稼働状態に立ち上げる過程において、内燃機関の暖機が完了していない期間で排出された排気中のＰＭ粒子数の総量は、当該過程において排出された排気中のＰＭ粒子数の総量の７０〜８０％程度をも占めることが判明した。内燃機関の種類や大きさ、立ち上げ時の負荷条件等で排気中のＰＭ粒子数の総量は変動するものではあるが、暖機未完了期間では、排気中のＰＭ粒子数が比較的多い状態にあることが理解できる。そのため、暖機未完了期間では、粒子状物質処理装置１によってＰＭ除去処理が行われても、場合によっては十分にＰＭを除去することが難しくなる場合がある。そこで、以降においては、当該暖機未完了期間において、最終的に内燃機関システムから外部に排出される排気中のＰＭ粒子数を低減させるＰＭ低減処理について、図５に基づいて詳細に説明する。このＰＭ低減処理は、上記制御装置７によって実行される。
【００３９】
先ず、Ｓ２０１では、内燃機関１０の暖機状態に関するパラメータの検出が行われる。暖機状態とは、内燃機関１０において良好な燃料の燃焼が行われる程度に、内燃機関１０自体が十分に暖機されている状態を表し、本実施例では、温度センサ７３によって検出される内燃機関１０の冷却水温度に基づいて判断することとする。例えば、検出された冷却水温度が６０℃を下回る場合には、内燃機関１０は十分に暖機された状態ではないと判断することができる（後述するＳ２０５の処理を参照）。そこで、Ｓ２０１では暖機状態を表すパラメータとして、内燃機関１０の冷却水温度が取得される。また別法として、内燃機関１０のオイル温度も暖機状態の判断のためのパラメータとして採用できる。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２で本発明に係る内燃機関システムによる負荷駆動のための要求出力の算出が行われる。具体的には、アクセル開度センサ７１によって検出されるアクセル開度や、車両に搭載されている補機類等の駆動に必要な電力等を考慮して、内燃機関１０によって発揮するように要求される出力が算出される。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。
【００４０】
Ｓ２０３では、内燃機関１０の運転状態の検出が行われる。具体的には、クランクポジションセンサ７２の検出信号に基づいて機関回転数の算出が行われ、また、上記アクセル開度センサ７１の検出信号に基づいて機関負荷の算出が行われる。これらの運転状態に関するパラメータに基づいて、Ｓ２０４で、粒子状物質処理装置１を経た排気、すなわちＰＭ除去処理が施された排気中のＰＭ粒子数の推定が行われる。具体的には、図３に示したマップを利用して、上記機関回転数、機関負荷、そして内燃機関１０の冷却水温度に基づいて排気中のＰＭ粒子数が推定される。そして、図４に示すように排気中のＰＭ粒子数と排気流量に基づいて決定される電極５への印加電圧に従って、粒子状物質処理装置１によるＰＭの除去率を算出し、該除去率と推定された排気中のＰＭ粒子数から、ＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数が算出される。この電極５への印加電圧とＰＭの除去率との相関は制御マップとして、制御装置７内に格納されていればよい。また、別の推定態様として、後述する図６に示すように、内燃機関１０の運転状態に係る機関回転数および機関負荷と、ＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数との相関を制御マップとして制御装置７内に格納しておいてもよい。Ｓ２０４の処理が終了すると、Ｓ２０５へ進む。
【００４１】
Ｓ２０５では、Ｓ２０１で検出された冷却水温度が、内燃機関１０の暖機状態を判定す
るための基準温度Ｔ０より低いか否かが判定される。本実施例では、上記のとおり基準温度Ｔ０は６０℃とするが、内燃機関１０における燃焼状態を考慮して適宜調整してもよい。そしてＳ２０５で肯定判定されると、すなわち内燃機関１０の暖機状態が十分でないと判定されるとＳ２０６へ進み、一方で、Ｓ２０５で否定判定されると、すなわち内燃機関１０の暖機が完了したと判定されると本ＰＭ低減処理を一度終了し、再び最初から繰り返される。
【００４２】
Ｓ２０５で肯定判定された後、Ｓ２０６では、Ｓ２０４で推定されたＰＭ除去処理後の排気中に、まだ多くのＰＭが含まれているか否かを判定するための基準粒子数ＰＭ０より多いか否かが判定される。この基準粒子数ＰＭ０は、システム外への排気の排出が環境へ与える影響等を考慮して、適宜決定される。ここで肯定判定されると、すなわちＰＭ除去処理後の排気であってもそこにまだ多くのＰＭが含まれていると判定されるとＳ２０７へ進み、一方で、否定判定されると、すなわち排気中に含まれるＰＭ量は適切な量であると判定されると本ＰＭ低減処理を一度終了し、再び最初から繰り返される。
【００４３】
Ｓ２０６で肯定判定された以降のＳ２０７〜Ｓ２０８の処理は、実質的に内燃機関１０から排出される排気中に含まれるＰＭ粒子数を減少させる処理に相当する。当該ＰＭ粒子数を減少させる処理は内燃機関１０の運転状態を、現時点の状態から一時的に変更させることで実現される。詳細には、Ｓ２０７では、内燃機関１０の変更後の運転状態（動作点）の算出が行われる。この変更後運転状態の算出については、図６および図７に基づいて説明する。図６は、横軸を機関回転数、縦軸を機関負荷とし、機関回転数と機関負荷とで表わされる内燃機関１０の運転状態と、内燃機関１０の吸気流量との相関、および該内燃機関１０の運転状態とＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数との相関を表わす図である。図６では、内燃機関１０の吸気流量は点線で示され、10g/sec、15g/sec、20g/sec、25g/secの吸気流量との相関が例示されている。また、図６では、ＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数は実線で示され、2x106個/sec、4x106個/sec、6x106個/sec、8x106個/sec、10x106個/sec、12x106個/secの粒子数との相関が例示されている。
【００４４】
ここで、現時点における内燃機関１０の運転状態、すなわちＳ２０３で検出された運転状態は、図６では動作点Ｐ１で示される。動作点Ｐ１は、機関回転数はＮｅ１であり、機関負荷はＴ１である。このとき、内燃機関１０の吸気流量は15g/secの状態であって、そ
のときのＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数は、4x106個/secである。したがって、上
記Ｓ２０６では、ＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数が4x106個/secと推定されること
によって、肯定判定されたことになる。そして、Ｓ２０７での変更後の内燃機関１０の運転状態は、ＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数がより減少するように算出される。本実施例では、図６に示すように、ＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数は、機関負荷が低下し機関回転数が上昇すれば減少する傾向を有している。この要因としては、機関負荷が低下し機関回転数が上昇することで、内燃機関１０での仕事量が減ることが挙げられる。したがって、Ｓ２０７では、現時点での内燃機関１０の運転状態よりも、機関負荷を低下させ、機関回転数を上昇させるような運転状態を、変更後の運転状態として算出すればよい。
【００４５】
さらに好適には、内燃機関１０の運転状態を変更させるにあたり、その変更前と変更後で内燃機関１０の出力の変動を可及的に抑制するために、変更前の吸気流量と変更後の吸気流量が同じとなるように、機関負荷を低下させ機関回転数を上昇させるような運転状態を、変更後の運転状態として算出してもよい。図６に示す例では、動作点Ｐ１が吸気流量が15g/secの線上にあることから、内燃機関１０の運転状態を、動作点Ｐ１から、当該吸
気流量の線と、たとえば、ＰＭ粒子数が4x106個/secよりも少ない2x106個/secの線との交点である動作点Ｐ２へ変更するように、機関負荷をＴ１からＴ２へ低下させ、機関回転数をＮｅ１からＮｅ２へ上昇させればよい。この場合、内燃機関１０への吸気が高効率で燃
焼に供されていれば、運転状態の変更前後で、概ね内燃機関１０の出力変動を抑制することができることになる。
【００４６】
また、図６に示す内燃機関１０の運転状態とＰＭ粒子数との相関では、機関回転数が高くなるほど当該ＰＭ粒子数は減少する。しかし、過度に機関回転数を上昇させてしまうと、内燃機関システムのユーザ（内燃機関システムで車両を駆動する場合には、そのドライバ等）に不快感を与えるおそれがあり、過度の機関回転数の上昇は好ましくない場合もある。また、図６に示す態様と異なり、機関回転数が低くなるほどＰＭ除去処理後の排気中のＰＭ粒子数が少なくなる傾向を有する内燃機関においては、Ｓ２０７の処理においては機関回転数が低下するように変更後の内燃機関の運転状態が算出される。この場合、過度に機関回転数を低下させてしまうと、上記のようなユーザへの不快感や内燃機関の機関停止のおそれがある。
【００４７】
そこで、以上を踏まえて、Ｓ２０７における変更後の内燃機関１０の運転状態の算出にあたっては、ユーザへ不快感を与えない、内燃機関１０の機関停止を回避する等の目的に沿うように、現時点での機関回転数Ｎｅ１を含む、一定の範囲の機関回転数の中から、ＰＭ粒子数を減少させるべく変更後の内燃機関１０の運転状態に係る機関回転数を決定してもよい。例えば、図７に示すように、現時点での機関回転数Ｎｅ１を含み、上限が機関回転数Ｎｅ２、下限が機関回転数Ｎｅ３で画定される範囲に含まれる許容回転数の中から、変更後の運転状態に係る機関回転数を決定するようにする。この上限の機関回転数Ｎｅ２は、動作点Ｐ２における機関回転数であって、現時点の機関回転数Ｎｅ１の例えば２０％増となる機関回転数として設定される。また、下限の機関回転数Ｎｅ３は、動作点Ｐ３における機関回転数であって、例えば内燃機関１０の機関停止を回避し得る機関回転数として設定されている。図７に示す例では、図６と同じように機関回転数が上昇するほど、ＰＭ処理後の排気中のＰＭ粒子数は低下する傾向にあることから、Ｓ２０７の最終的な結果としては、上限の機関回転数Ｎｅ２で画定される動作点Ｐ２が、変更後の内燃機関１０の運転状態として決定される。
【００４８】
なお、図７のように、機関回転数が上昇するほどＰＭ処理後の排気中のＰＭ粒子数が低下する傾向を有する場合には、上記許容回転数の範囲は、上限の機関回転数のみで画定される範囲であっても構わない。逆に、機関回転数が下降するほどＰＭ処理後の排気中のＰＭ粒子数が低下する傾向を有する場合には、上記許容回転数の範囲は、下限の機関回転数のみで画定される範囲であっても構わない。
【００４９】
Ｓ２０７の処理が終了するとＳ２０８へ進む。Ｓ２０８では、Ｓ２０７で算出された変更後の運転状態が実現される。具体的には、内燃機関１０を含む内燃機関システムが搭載された車両の、ＣＶＴ（無段変速機：Continuously Variable Transmission）やその他の変速機等を用いてギア比の変更が行われることで、内燃機関１０の出力を一定に保ちながら、運転状態の変更が行われる。Ｓ２０８の処理が終了すると、本ＰＭ低減処理は再び繰り返される。
【００５０】
このように図５に示すＰＭ低減処理は、粒子状物質処理装置１によるＰＭ除去処理が施された排気中のＰＭ粒子数を更に減少させる処理であり、そのために内燃機関の運転状態を本来あるべき状態（上記実施例では動作点Ｐ１での運転状態）から所定の状態（上記実施例では動作点Ｐ２での運転状態）に変更させるものである。そのため、当該ＰＭ低減処理によって、本来あるべき運転状態で実現しようとしていた所定の目的、たとえば最も燃費効率の良い動作点での内燃機関の運転等を果たせない状態となっている。しかし、この内燃機関１０の運転状態の変更は、内燃機関１０の暖機が未完了である場合に一時的にのみ行われるため、当該所定の目的を外れた内燃機関１０の運転は一時的なものであり、内燃機関１０の暖機が完了すれば所定の目的を果たすべく内燃機関１０が運転されることに
なる。換言すれば、当該ＰＭ低減処理は、内燃機関システム外に排出される排気中のＰＭ粒子数が多くなってしまう場合に、優先的に上記内燃機関１０の運転状態の変更処理を行うことで、ＰＭ排出を抑制しようというものである。したがって、所定の目的を外れることによる不利益を最小限に抑えることができる。
【００５１】
なお、図５に示すＰＭ低減処理は、内燃機関１０の暖機が完了していない期間において行われるものであるが、当該期間以外のタイミングで一時的に行っても構わない。たとえば、暖機完了後であっても、内燃機関１０の機関回転数が低く、機関負荷が比較的大きくなる状態がある程度続く場合には、機関出力を一定に保ちながら、ＰＭ低減処理により一時的に内燃機関１０の運転状態を変更させてもよい。
【実施例２】
【００５２】
図８に、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの別の実施例に関する概略構成を示す。図８に示す粒子状物質処理装置１００を有する内燃機関システムと図１に示す粒子状物質処理装置１を有する内燃機関システムと異なる点について説明する。図８に示す粒子状物質処理装置１００では、電源６と、電極５と、の間の電源側電線５２に、該電源側電線５２を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。このように、検出装置９を電源側電線５２に設けることにより、図１に示される絶縁部４は必要ない。すなわち、ハウジング３から排気通路２側へ電気が流れたとしても、検出装置９によれば電極５を通る電流を検出することができる。しかし、一般に、電源側電線５２のほうが接地側電線５３よりも、径が太く且つ長さが長くなるため、電気的な容量が大きくなる。したがって、図８に示す粒子状物質処理装置１００については、コロナ放電などの強い放電が発生したとしても、図１に示す粒子状物質処理装置１と比べてパルス電流を検出し難くなる。
【００５３】
そこで、たとえば、図２に示す印加電圧のフィードバック制御を行う際に、パルス電流等の高周波成分を有する電流を検出し、それをフィードバック制御に反映させる必要がある場合には、図１に示す粒子状物質処理装置１が有用であり、そのような必要がない場合には、図８に示す形態の粒子状物質処理装置１００も採用し得る。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・・粒子状物質処理装置
２・・・・排気通路
３・・・・ハウジング
４・・・・絶縁部
５・・・・電極
６・・・・電源
７・・・・制御装置
８・・・・バッテリ
９・・・・検出装置
１０・・・・内燃機関
１００・・・・粒子状物質処理装置
【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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