JP2005016502A - 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ナノ粒子の大気中への放出を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 エンジン１の排気浄化装置に排気通路４上にて排気ガスからナノ粒子を生成する希釈装置１６と、排気通路４上の希釈装置１６の下流にナノ粒子の少なくとも一部を吸着する吸着装置１７とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化方法及び排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路内の排気ガスには粒子状物質（ＰＭ、一般に粒径数ｎｍ〜１０００ｎｍ程度）が含まれている。この粒子状物質が排気通路から排出されることを抑制する技術として、排気通路の上流側に目の粗いフィルタを、下流側に目の細かいフィルタをそれぞれ設ける技術がある（特許文献１）。また、内燃機関から排出される排気ガスにはナノ粒子（一般には粒径５０ｎｍ以下の粒子）が含まれている。ナノ粒子は、希釈比、空気温度・湿度、混合時間などの変化により、排出個数が大きく変化することが報告されている（非特許文献１）。ナノ粒子は燃焼により生成するだけではなく、排気ガスが希釈されることでナノ粒子が発生することから、排気ガスが排気通路から大気中に排出されて希釈される際にナノ粒子が生成するとも言われている。その他に本発明に関連する技術としては特許文献２がある。
特開平６−２２１１３３号公報 特開平９−８８５５１号公報 「自動車研究」、２０００年６月、第２２巻、第６号、ｐ．５−１０

排気ガスが排気管から大気に排出される際にナノ粒子が生成されるという説に従うと、特許文献１のような後処理装置を排気通路内に設けるだけでは、ナノ粒子の排出を十分に抑制できないおそれがある。ナノ粒子の生成前の段階では、後処理装置にてナノ粒子を除去できないからである。

そこで、本発明は、ナノ粒子の大気中への放出を抑制することができる内燃機関の排気浄化方法及び排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路内にて排気ガスからナノ粒子を生成するナノ粒子生成手段と、前記排気通路上の前記ナノ粒子生成手段の下流側にナノ粒子の少なくとも一部を処理する処理手段とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気浄化装置によれば、排気通路内でナノ粒子を生成させているので、ナノ粒子の処理手段にてナノ粒子の少なくとも一部を確実に処理し、大気中へのナノ粒子の放出量を減らすことができる。本発明の排気浄化装置において、処理手段が実行する処理は、ナノ粒子の大気中への放出を抑えられる処理であればよく、例えば、ナノ粒子をフィルタなどにより捕捉する処理、ナノ粒子を別の物質に変える処理、ナノ粒子を内燃機関の吸気通路に還流させる処理がその範囲に含まれる。

また、ナノ粒子生成手段にはナノ粒子の生成に寄与すると考えられる各種の手段を用いてよい。例えば、前記ナノ粒子生成手段は、前記排気通路内の排気ガスを希釈して前記ナノ粒子を生成してもよい（請求項２）。前記ナノ粒子生成手段は、前記排気通路内に大気を導入して前記排気通路内の排気ガスを希釈してもよい（請求項３）。なお、排気ガスを希釈するための気体の導入位置は、希釈後の排気ガスを処理手段により処理可能であれば、排気通路内の適宜な位置としてよい。例えば、ナノ粒子の原因となる物質が触媒等の特定の手段に含まれている、又は生成されている場合には、その原因物質が存在する位置、又はその下流に導入してもよい。排気ガスを希釈するための気体には、希釈によりナノ粒子を生成することができるものであれば適宜な成分の気体を用いてよいが、大気を導入して希釈することが最も簡単である。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記ナノ粒子生成手段は、前記排気ガス及び前記排気ガスを希釈するための気体を、前記排気通路に設けられた混合室にて混合することにより、前記排気ガスを希釈してもよい（請求項４）。この場合、排気ガス及び排気ガスを希釈するための気体は、混合室において比較的長い時間をかけて拡散しつつ混合されるから、排気ガスが満遍なく希釈される。このため、排気ガス全体からナノ粒子が十分に生成され、処理される。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記混合室が前記排気通路を当該混合室の前後よりも拡大して形成されていてもよい（請求項５）。この場合、排気ガス及び排気ガスを希釈するための気体は、混合室に流入すると流れが緩やかになり、混合室に滞留する。このため、排気ガス及び排気ガスを希釈するための気体が十分に混合される。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記処理手段は、前記ナノ粒子を捕捉する捕捉手段を前記排気通路内に有していてもよい（請求項６）。この場合、ナノ粒子は捕捉手段に捕捉されるから、ナノ粒子の大気への放出が抑制される。なお、捕捉手段はナノ粒子を捕捉できるものであればよく、その捕捉形態が物理的又は化学的な変化を伴うか否かは問わない。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記捕捉手段は、前記ナノ粒子を吸着する活性炭であってもよい（請求項７）。この場合、活性炭の揮発性物質（例えば揮発性ＨＣ）吸着作用により、揮発性物質を主体としたナノ粒子が活性炭に吸着される。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記捕捉手段の温度を調整する温度調整手段を備えていてもよい（請求項８）。内燃機関の始動後、捕捉手段と排気ガスとの間では熱交換が行なわれ、捕捉手段の温度は大気の温度と排気温度との間で変動する。一方、捕捉手段にはナノ粒子を効率的に捕捉できる温度域が一般に存在する。例えば、活性炭の場合、２００〜４００℃程度で効率的にナノ粒子を吸着する。上述の態様では、温度調整手段により捕捉手段の温度を調整可能であるから、捕捉手段の温度をナノ粒子が効率的に捕捉される温度域に調整することにより、ナノ粒子を効果的に処理できる。なお、温度調整手段による温度調整には、捕捉手段の加熱、及び捕捉手段の冷却の何れも含まれる。また、温度調整手段は、捕捉手段を加熱又は冷却できるものであればよく、その動作を制御できるか否かは問わない。温度調整手段がその動作を制御できるものである場合には、前記捕捉手段の温度が所定の温度域になるように前記温度調整手段の動作を制御する制御手段を備えていてもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記捕捉手段は、粒子の慣性を利用して前記ナノ粒子をプレートで捕捉するナノ粒子捕捉手段であってもよい（請求項９）。排気ガスの流れと対向するように配置されたプレートにナノ粒子を含んだ排気ガスを当てると、ガスはこのプレートに沿って曲がるが、ナノ粒子は慣性が大きいためこのプレートに衝突してプレート上に付着する。従って、このように粒子の慣性を利用することでも、ナノ粒子を捕捉することができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記ナノ粒子生成手段は、前記ナノ粒子以外の排出物を処理するために前記排気通路に設けられた排気浄化手段よりも下流側に設けられていてもよい（請求項１０）。この場合、排気浄化手段に含まれている物質が原因となって発生するナノ粒子を排気通路内で生成して処理できる。例えば、触媒により生成されるサルフェートを原因物質として発生するナノ粒子を生成して処理できる。また、ディーゼルパティキュレートフィルタ等のフィルタにより比較的大きな粒子状物質を捕集した後にナノ粒子を生成して捕捉すれば、捕捉手段の詰まりの進行を抑えられる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路に設けられ、前記ナノ粒子生成手段及び前記処理手段のうち少なくともいずれか一方に流れ込むのを避けるように排気ガスを導く分岐手段と、前記分岐手段により導かれる排気ガスの流量を調整する弁手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて前記弁手段の動作を制御する弁制御手段と、を備えていてもよい（請求項１１）。この場合、分岐手段によりナノ粒子生成手段及び処理手段のうち少なくともいずれか一方に流れ込むのを避けるように排気ガスが導かれることにより、ナノ粒子生成手段及び処理手段が内燃機関の背圧増加に及ぼす影響は弱められ、又は解消される。このため、分岐手段により導かれる排気ガスの流量を弁手段及び弁制御手段により内燃機関の運転状態に応じて調整することにより、内燃機関の運転状態が良好に維持される。さらに、処理手段が排気ガスにより過度に加熱されて破損することも防止できる。なお、分岐手段は、ナノ粒子生成手段又は処理手段の上流側の排気通路から排気ガスを導き、ナノ粒子生成手段又は処理手段を避けることができれば、導いた排気ガスを何れへ導いてもよい。例えば、導いた排気ガスをナノ粒子生成手段又は処理手段の下流側の排気通路に戻してもよいし、導いた排気ガスを大気中へ放出してもよい。弁制御手段は、弁手段の開度を連続的に変化させるものでもよいし、弁手段を全開又は全閉の２段階で切り替えるものでもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化方法は、内燃機関の排気ガス中に含まれるナノ粒子の量を増大させる工程と、排気ガス中に含まれるナノ粒子を処理する工程とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１２）。

本発明の排気浄化方法によれば、上述した本発明の排気浄化装置と同様にナノ粒子の大気中への放出が抑制される。

以上に説明したように、本発明によれば、排気通路内でナノ粒子を生成しているので、ナノ粒子の処理手段にてナノ粒子の少なくとも一部を確実に処理し、大気中へのナノ粒子の放出量を減らすことができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る排気浄化装置を内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用した一実施形態を示している。エンジン１のシリンダ２には吸気通路３及び排気通路４が接続され、吸気通路３には吸気濾過用のエアフィルタ５、排気エネルギを利用して吸気圧を高める過給機６のコンプレッサ６ａ、吸気量調節用のスロットルバルブ７がそれぞれ設けられている。排気通路４には加給機６のタービン６ｂ、タービン６ｂよりも下流側に配置された排気浄化装置８、排気の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサ９、マフラー１０がそれぞれ設けられている。排気浄化装置８は、例えばディーゼルパティキュレートフィルタからなるフィルタ基材に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒物質を坦持させた公知のものである。排気の一部を吸気通路３に戻すため、排気通路４は、ＥＧＲクーラ１１及びＥＧＲバルブ１２を介して吸気通路３と接続されている。また、各シリンダ２には、シリンダ２内に燃料を噴射するインジェクタ１３がそれぞれに設けられ、各インジェクタ１３は加圧された燃料を蓄えるコモンレール１４に接続されている。

エンジン１の排気浄化装置１８は、マフラー１０よりも下流側の排気通路４に設けられたナノ粒子生成手段としての希釈装置１６と、希釈装置１６の下流側に設けられた処理手段としての吸着装置１７とを備えている。図２（ａ）に示すように、希釈装置１６は、排気管２０と接続された本体２１と、本体２１に挿入された筒状の空気取入ノズル２２とを備えている。排気管２０はマフラー１０から延びており、その内部は排気通路４の一部を構成している。本体２１の内部には導入チャンバ２３と、混合チャンバ２４とが形成されている。

導入チャンバ２３は円筒状の空洞部２３ａと、混合チャンバ２４側に近づくほど狭くなるテーパ部２３ｂとを有している。排気管２０は空洞部２３ａの円周面２３ｃに開口している。空気取入ノズル２２は空洞部２３ａの端面２３ｄを突き抜けて、テーパ部２３ｂにおいて開口している。空気取入ノズル２２の先端部２２ａとテーパ部２３ｂの斜面２３ｅとの間には隙間が設けられ、環状の絞り部２５が形成されている。先端部２２ａの外周側は斜面２３ｅと平行になるように面取りされている。

混合チャンバ２４は、例えば円筒状に形成されている。混合チャンバ２４は、一方の端面２４ａの中央に開口する接続部２６を介してテーパ部２３ｂと接続されている。また、他方の端面２４ｂの中央に開口する排気管２７を介して吸着装置１７と接続されている。混合チャンバ２４の内径は接続部２６及び排気管２７の内径よりも大きく形成されている。

吸着装置１７は、図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である図２（ｂ）にも示すように、筒状体３０と、筒状体３０の内壁に沿って設けられた活性炭３１と、支持部材３２に支持され、筒状体３０の中央部に設けられた円柱状の活性炭３３とを備えている。筒状体３０の希釈装置１６側の端部には接続部２６が開口し、その反対側の端部からは排気管３４が延びて大気中へ開口している。

なお、希釈装置１６の本体２１、空気取入ノズル２２、吸着装置１７の筒状体３０は、例えば排気管２０、２７、３４と同一の金属材料を用いることができる。この場合、本体２１、筒状体３０は、溶接等により排気管２０等に接合されていてもよいし、金属板を曲げ加工することにより排気管２０等と一体的に形成されていてもよい。

以上の構成を有するエンジン１における排気ガスの浄化作用について説明する。エンジン１から排出された排気ガスは、排気浄化装置８、マフラー１０、排気管２０、導入チャンバ２３の空洞部２３ａの順に通過する。そして、排気ガスは空気取入ノズル２２の開口部を斜めに横切るようにして絞り部２５から接続部２６へ流れ込む。この流れ込む際に生じる負圧により、大気が空気取入ノズル２２を介して接続部２６へ引き込まれる。

排気ガスは混合チャンバ２４へ流入すると混合チャンバ２４内に拡散しつつ滞留する。この滞留する間に排気ガス及び空気は十分に混合され、排気ガスが希釈される。この際、排気ガス中にナノ粒子が生成される。

ナノ粒子を含んだ排気ガスは排気管２７を介して吸着装置１７の筒状体３０の内部へ流入し、活性炭３１と活性炭３３との隙間を流れる。この際、活性炭の揮発性物質吸着作用により、揮発性物質を主体としたナノ粒子は活性炭３１又は活性炭３３に吸着される。ナノ粒子が除去された排気ガスは、排気管３４を介して大気へ放出される。

以上のように本実施形態では、ナノ粒子の大気への放出が抑制される。しかも、排気ガスの流れによって生じる負圧を利用して大気を排気通路内に導入していることから、希釈装置１７の構成は簡素化されている。

なお、ナノ粒子は図３に示すように、一般には５０ｎｍ以下の粒子をいい、超微粒子と呼ばれることもある。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。但し、本実施形態において、第１の実施形態との共通部分には同一の参照符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。本実施形態においても図１と同様にエンジン１の排気通路４に希釈装置１６及び吸着装置１７が設けられている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、吸着装置１７は、温度調整手段としての温度調整装置４０を備えている。温度調整装置４０は、吸着装置１７の内部を通過する空気通路４１と、空気通路４１に空気を送り込むポンプ４２と、ポンプ４２の上流側又は下流側に設けられた弁手段４３とを備えている。空気通路４１は、活性炭３３の内部を通過するように設けられており、空気通路４１を流れる空気と活性炭３３との間の熱交換により活性炭３３を冷却可能である。ポンプ４２は例えばエンジン１の動力が伝達されて駆動される。弁手段４３は、例えば電磁弁として構成され、その開閉によりポンプ４２の送り込む空気の流量を調整可能である。

活性炭３３には温度センサ４４が設けられている。温度センサ４４は、活性炭３３又は活性炭３３周囲の排気ガスの温度を検出し、検出した温度に応じた信号をエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５に出力する。

温度調整装置４０の動作はＥＣＵ１５によって制御される。ＥＣＵ１５はマイクロプロセッサ及びその主記憶装置として機能するＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成され、温度センサ４４からの信号に基づいて、活性炭３３又は吸着装置１７の温度が適宜な温度域（例えば２００℃前後）になるように弁手段４３の開閉を制御する。以上のように、捕捉手段の内部に冷媒を循環させる構成により、活性炭３１及び活性炭３３は、ナノ粒子の吸着効率が最も高くなる温度領域に維持される。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。但し、本実施形態において、第１の実施形態との共通部分には同一の参照符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。本実施形態においても図１と同様にエンジン１の排気通路４に希釈装置１６及び吸着装置１７が設けられている。

図５に示すように、本実施形態では、図１に示した導入チャンバ２３及び空気取入ノズル２２が希釈装置１６から省略されている。その一方で、混合チャンバ２４に開口する空気導入通路５０と、空気導入通路に空気を送り込むポンプ５１とが設けられている。また、排気管２０は混合チャンバ２４に開口している。ポンプ５１は、例えば電動モータを含んで構成され、その動作はＥＣＵ１５によって制御される。

本実施形態によれば、ポンプ５１によって大量の空気を混合チャンバ２４に送り込むことができるから、排気ガスを十分に希釈してナノ粒子を生成することができる。また、ポンプ５１の送り込む空気量の調整により、エンジン１の背圧を調整することができるから、エンジン１の運転状態を良好に保つこともできる。例えば、吸着装置１７が詰まることにより圧力損失が大きくなった場合には、ポンプ５１の送り込む空気の流量を減らし、エンジン１の機能の低下を防止することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。但し、本実施形態において、第１の実施形態との共通部分には同一の参照符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。本実施形態においても図１と同様にエンジン１の排気通路４に希釈装置１６及び吸着装置１７が設けられている。

図６に示すようにエンジン１は、分岐手段としての分岐通路６０と、弁手段としてのバルブ６１と、バルブ６１を駆動する開閉手段６２とを備えている。分岐通路６０は、排気管２０から分岐して大気中へ開口する。バルブ６１は分岐通路６０に設けられている。バルブ６１は、例えば分岐通路６０を閉じられる大きさの円盤状に概略形成され、軸部６１ａを中心として回動自在である。開閉手段６２は、例えば電磁石を含んで構成され、電磁力により軸部６１ａを回転駆動する。開閉手段６２の動作はＥＣＵ１５によって制御される。なお、ＥＣＵ１５は弁制御手段として機能する。

図７は、ＥＣＵ１５が実行するバルブ開閉ルーチンの手順を示すフローチャートである。このルーチンは、例えばエンジン１の始動時に開始され、所定の周期（例えば０．５秒）で繰り返し実行される。まず、ＥＣＵ１５はエアフローメータ等の各種センサからの信号に基づいて、所定の開条件が満たされたか否かを判定する（ステップＳ１）。開条件が満たされたと判定したときはバルブ６１を開放し（ステップＳ２）、ルーチンを終える。開条件が満たされていないと判定した場合はバルブ６１を閉鎖し（ステップＳ３）、ルーチンを終える。以上のようにバルブ開閉ルーチンが実行されることにより、適宜なタイミングで排気ガスが分岐通路６０から大気へ排出される。

ステップＳ１における開条件が満たされたか否かの判定は、回転数、負荷等の種々のパラメータに基づいて判定してよく、その判定基準も適宜に設定してよい。例えば図８及び図９に示すように設定してもよい。

図８（ａ）は、エンジン１の負荷及び回転数に基づいて開条件が満たされたか否かを判定する場合を示している。実線Ｌ１は判定基準を示しており、負荷及び回転数が実線Ｌ１の下方の範囲内にある場合には開条件は満たされずバルブ６１は閉鎖される。負荷及び回転数が実線Ｌ１の上方の範囲内にある場合には開条件が満たされてバルブ６１が開放される。図８（ａ）に示す例では、エンジン１の負圧と相関するパラメータを二つ用いてバルブ６１の開条件を判定するから、エンジン１の背圧の増加に正確に対応してバルブ６１が開放又は閉鎖される。なお、負荷を表すパラメータとして、例えば、吸入空気量、燃料噴射時間、吸気管圧力を用いてもよい。

図８（ｂ）は、エンジン１の回転数に基づいて開条件が満たされたか否かを判定する場合を示している。この図において、縦軸はバルブ６１の開度を示している。回転数が所定の値以下の場合には開条件は満たされずバルブ６１は閉鎖される。回転数が所定の値を超えると開条件が満たされバルブ６１が開放される。図８（ｂ）に示す例では、エンジン１の背圧と相関するパラメータを一つだけ用いるから、判定基準の設定及び開条件が満たされたか否かの判定が容易である。

図８（ｃ）は、エンジン１の排気ガスの温度及び回転数に基づいて開条件が満たされたか否かを判定する場合を示している。実線Ｌ３は判定基準を示しており、排気温度及び回転数が実線Ｌ３の下方の範囲内にある場合には開条件は満たされずバルブ６１は閉鎖される。排気温度及び回転数が実線Ｌ３の上方の範囲内にある場合には開条件が満たされてバルブ６１が開放される。図８（ｃ）に示す例では、排気ガスの温度を開条件のパラメータの一つとして用いているから、過熱による吸着装置１７の破損防止が確実に行なわれる。

粒子捕捉手段を備えたエンジン１では背圧上昇により出力低下している。しかも、エンジン１は、気圧や吸気温度（外気温度）等の環境条件によってさらに出力が低下するおそれがある。そこで、エンジン１の出力が低下するような環境条件では、バルブ６１を開くことにより背圧低減をはかり出力を回復させる。図９（ａ）は、このような制御を行う場合にバルブ６１の開条件が満たされたか否かを判定するのに使用されるマップである。図９（ａ）において開条件が満たされたか否かは、環境条件の一つである気圧とエンジン１の回転数とに基づいて判定される。図９（ａ）中の実線Ｌ４は判定基準を示しており、気圧が低く且つ回転数が高い条件の範囲（図９（ａ）の右下の範囲）においてバルブ６１の開条件が満たされる。このように制御することで、環境条件の変化による出力の低下を背圧低減により補うことができる。なお、バルブ６１の開条件を判定するのに参照する環境条件は、気圧に限定されない。エンジン１の出力に影響する種々の環境条件を参照して判定してよい。例えば、吸気温度（外気温度）を参照して判定してもよい。吸気温度を参照する場合は、吸気温度が所定の温度範囲よりも高い場合及び低い場合にエンジン１の出力が低下するので、これらの条件においてバルブ６１が開くように判定基準を設定する。

また、冷間始動直後等の暖機が十分に行われていないエンジン１は、潤滑油の粘性等の影響により、摩擦損失が大きい。このような場合もバルブ６１を開けることにより、粒子捕捉装置をもったエンジン１の出力向上を図ることができる。図９（ｂ）は、このような制御を行う場合に使用されるマップである。図９（ｂ）において開条件が満たされたか否かは、エンジン１の暖機状態の指標となる冷却水温とエンジン１の回転数とに基づいて判定される。図９（ｂ）中の実線Ｌ５は判定基準を示しており、冷却水温が低く且つ回転数が高い条件の範囲（図９（ｂ）の右下の範囲）においてバルブ６１の開条件が満たされる。なお、エンジン１の暖機状態の指標は、冷却水温に限定されない。エンジン１の暖機状態とともに変化する種々のパラメータを使用することができる。例えば、潤滑油温を参照してバルブ６１の開閉を判定してもよい。暖機が十分に行われていないエンジン１の潤滑油温は低いので、潤滑油温を参照する場合、潤滑油温が低い場合にバルブ６１が開くように判定基準を設定する。

ＥＣＵ１５は、バルブ６１の開閉動作のみを制御するのではなく、バルブ６１の開度を制御してもよい。図９（ｃ）に、このような制御を行う場合にＥＣＵ１５が参照するマップの一例を示す。ＥＣＵ１５は、図９（ｃ）を参照することにより、エンジン１の負荷と回転数とに基づいたバルブ６１の開度を取得することができる。このように、エンジン１の負荷と回転数とに基づいてバルブ６１の開度を制御することで、エンジン１の背圧の増加に適切に対応しつつ、希釈装置１６へ多くの排気ガスを流入させることができる。バルブ６１の開度を制御するために使用するマップは、図９（ｃ）に限定されない。例えば、エンジン１の排気温度と回転数とに基づいてバルブ６１の開度を設定するマップを使用してもよいし、気圧や吸気温度等の環境条件と回転数とに基づいてバルブ６１の開度を設定するマップを使用してもよい。また、冷却水温や潤滑油温等の暖機状態を示すパラメータと回転数とに基づいてバルブ６１の開度を設定するマップを使用してもよい。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態を図１０に示す。但し、本実施形態において、第１の実施形態との共通部分には同一の参照符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。本実施形態においても図１と同様にエンジン１の排気通路４に希釈装置１６が設けられている。本実施形態では、希釈装置１６の下流に、ナノ粒子を捕捉するナノ粒子捕捉手段としての捕捉装置８０を設けた点が他の実施形態と異なる。捕捉装置８０は、外筒８１と、インパクションノズルプレート８２と、排気中のナノ粒子を捕捉するインパクションプレート８３と、を備えている。図１０（ｂ）に、ノズルプレート８２を図１０（ａ）の矢印Ａ方向から見た図を示す。図１０（ｂ）から明らかなように、ノズルプレート８２の中央付近（図１０（ｂ）に示した直径ｄ_１の範囲）にはノズルプレート８２を貫通する多数のノズル８２ａが設けられている。なお、ノズルプレート８２は、捕捉装置８０へ流入した排気の全量がノズル８２ａを通過して下流へ流れるように設けられる。

捕捉装置８０に流入した排気ガスは、ノズル８２ａを通過することにより加速される。また、排気中のナノ粒子も排気ガスとともに加速される。加速されたナノ粒子は慣性が大きいためプレート両端にできた流路に沿って曲がりにくく、矢印Ｂ方向へ直進してプレート８３に衝突し、プレート８３に付着する。一方、ガスは直径が小さいため流路に沿ってプレート８３をまわりこんで矢印Ｃ方向へ流れる。このように、ナノ粒子をプレート８３に付着させることで、排気ガスからナノ粒子を除去することができる。

ノズルプレート８２とプレート８３との間隔は、ノズル８２ａで加速されたナノ粒子がほぼその速度でプレート８３に衝突する距離に設定される。この距離としては、例えば５〜１０ｍｍが設定される。ノズル８２ａの直径は、ナノ粒子がプレート８３に付着する速度まで加速されるように設定される。この直径としては、例えば０．３ｍｍが設定される。なお、ノズル８２ａの径を小さくするほどプレート８３に捕捉されるナノ粒子の粒子径を小さくすることができる。プレート８３の直径ｄ_２は、例えばノズルプレート８２のノズル８２ａが設けられた範囲の直径ｄ_１の３倍程度のものもあるが、実験により決めるのが適切である。

捕捉装置８０に設けられるノズルプレート８２及びプレート８３は、一枚ずつに限定されない。ノズルプレート８２及びプレート８３が排気の流れに対して多段に設けられていてもよい。また、ノズルプレート８２を多段に設けた場合、図１１（ａ）に示したように排気の流れ（矢印Ａ方向）の下流になるに従ってノズル８２ａの直径が徐々に小さくなるようにノズルプレート８２を配置してもよい。このようにノズルプレート８２及びプレート８３を多段に設けることで、より確実にナノ粒子を捕捉することができる。また、ノズル８２ａの直径を徐々に小さくしていくことで、各プレート８３で捕捉されるナノ粒子の粒子径を変化させ、ナノ粒子が一箇所のプレート８３に集中して溜まらないようにすることができる。なお、このように多段にノズルプレート８２が配置された場合も、各ノズルプレート８２は、捕捉装置８０に流入した排気ガスの全量が各ノズルプレート８２のノズル８２ａを通過するように設けられる。

図１１（ｂ）に示したように、外筒８１は、ノズルプレート８２とプレート８３との間で外筒８１ａと８１ｂとに分割できるような構造になっていてもよい。このように外筒８１を分割可能な構造にすることでメンテナンス性を向上させ、プレート８３に付着したナノ粒子の除去作業を効率よく行うことができる。なお、ノズルプレート８２とプレート８３とを多段に設けた場合は、外筒８１をそれぞれのノズルプレート８２とプレート８３との間で分割できるような構造にすることでメンテナンス性を向上させることができる。外筒８１を分割する方向は排気流れと垂直方向に限定されない、例えば、図１１（ｃ）に示したように、外筒８１は、排気の流れに対して水平方向に線ＳＬで外筒８１ｃと８１ｄとに上下に分割可能な構造になっていてもよい。

本実施形態において排気通路２７と接続される捕捉装置８０の数は、一つに限定されない。図１２に示したように、複数の捕捉装置８０を並列に設けてもよい。このように複数の捕捉装置８０を並列に接続することで、エンジン１の背圧の上昇を抑えることができる。このように複数の捕捉装置８０を設けた場合も、各捕捉装置８０の外筒８１をノズルプレート８２とプレート８３との間で分割できるような構造にすることでメンテナンス性を向上させることができる。

本実施形態における希釈装置１６は、図１０（ａ）に示したものに限定されない。例えば、図５及び図６に示したような希釈装置１６を捕捉装置８０の上流に設けてもよい。図６に示したような希釈装置１６を設けた場合は、図８、９に示したマップを参照して排気ガスの流れを制御することができる。

発明は以上の実施形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の形態で実施してよい。例えば、エンジン１はディーゼルエンジンに限られず、ガソリンエンジンであってもよい。

捕捉手段は、ナノ粒子を捕捉できるものであればよい。例えば、捕捉対象のナノ粒子の主成分に応じて適宜な触媒を用いてもよい。ナノ粒子よりも微細な目のフィルタを用いてもよいし、ナノ粒子を静電捕集する装置を用いてもよい。

希釈装置１６及び吸着装置１７は排気通路４の適宜な位置に設けてよい。例えば、マフラー１０よりも上流側に希釈装置１６及び吸着装置１７を設けてもよい。なお、マフラー１０の上流側よりも下流側の方が排気ガスの温度は低くなる。排気通路４が大気中に開口する直前の位置に希釈装置１６及び吸着装置１７を設けてもよい。

排気ガスと排気ガスを希釈するための気体とを十分に混合するために、種々の手段を設けてもよい。例えば、排気ガス等を攪拌させるためにファンを設けたり、排気管内側に凹凸を設けてもよい。また、混合チャンバ２４の形状や大きさ、接続部２６や排気管２７の混合チャンバ２４への開口位置も、排気ガス等が滞留し易くなるように、又は攪拌され易くなるように適宜に設定してよい。希釈装置１６と吸着装置１７との間の距離を長くして、吸着装置１７に排気ガス等が流入するまでに排気ガス等が十分に混合されるようにしてもよい。

分岐手段は、希釈装置１６及び吸着装置１７を迂回するバイパス通路であってもよいし、希釈装置１６の上流側の排気通路４から直接大気へ排気ガスを放出する排出口であってもよい。ＥＧＲ装置を分岐手段として利用してもよい。

吸着装置１７において、図１３（ａ）の断面図に示すようにハニカム構造の活性炭７０を筒状体３０の内部に設け、排気ガスを孔部７１…７１に通過させてもよい。この場合、排気ガスと活性炭との接触面積が増大するから、より効率的にナノ粒子が吸着される。

また、図１３（ｂ）に示すように、筒状体３０を分割構造として管体２７（図１３（ｂ）では不図示）及び管体３４から取り外し可能としてもよい。この場合、使用済みの活性炭３１、３３と未使用の活性炭３１、３３との交換が容易となる。

第４の実施形態において、バルブ６１の開閉の制御は機械的に行なわれてもよい。例えば、バネ手段により背圧に抵抗してバルブ６１を閉鎖するとともに、背圧が一定の圧力に到達すると背圧によってバルブ６１が押し開かれるようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の要部を示す図。 図１の排気浄化装置の構成を示す断面図。 一般的なナノ粒子の定義を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る排気浄化装置の冷却装置の構成を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る排気浄化装置の希釈装置の構成を示す図。 本発明の第４の実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す断面図。 図６の排気浄化装置のＥＣＵが実行するバルブ開閉ルーチンの手順を示すフローチャート。 図７のバルブ開閉ルーチンで判定される開条件の例を示す図。 図７のＥＣＵがバルブの動作を制御するために参照するマップの例を示す図。 本発明の第５の実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す図。 図１０の捕捉装置の他の例を示す図。 図１０の捕捉装置のさらに他の例を示す図。 吸着装置の変形例を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 排気通路
８ 排気浄化手段
１５ ＥＣＵ（弁制御手段）
１６ 希釈装置（ナノ粒子生成手段）
１７ 吸着装置（処理手段）
１８ 排気浄化装置
２４ 混合チャンバ
３１、３３ 活性炭
４０ 冷却装置（温度調整手段）
６０ 分岐通路（分岐手段）
６１ バルブ（弁手段）
８０ 捕捉装置（ナノ粒子捕捉手段）
８３ インパクションプレート（プレート）

Claims (12)

1. 内燃機関の排気通路内にて排気ガスからナノ粒子を生成するナノ粒子生成手段と、前記排気通路上の前記ナノ粒子生成手段の下流側にナノ粒子の少なくとも一部を処理する処理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。
2. 前記ナノ粒子生成手段は、前記排気通路内の排気ガスを希釈して前記ナノ粒子を生成す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。
3. 前記ナノ粒子生成手段は、前記排気通路内に大気を導入して前記排気通路内の排気ガスを希釈することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記ナノ粒子生成手段は、前記排気ガス及び前記排気ガスを希釈するための気体を、前記排気通路に設けられた混合室にて混合することにより、前記排気ガスを希釈することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記混合室が前記排気通路を当該混合室の前後よりも拡大して形成されている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。
6. 前記処理手段は、前記ナノ粒子を捕捉する捕捉手段を前記排気通路内に有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記捕捉手段は、前記ナノ粒子を吸着する活性炭であることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記捕捉手段の温度を調整する温度調整手段を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記捕捉手段は、粒子の慣性を利用して前記ナノ粒子をプレートで捕捉するナノ粒子捕捉手段であることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記ナノ粒子生成手段は、前記ナノ粒子以外の排出物を処理するために前記排気通路に設けられた排気浄化手段よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 前記排気通路に設けられ、前記ナノ粒子生成手段及び前記処理手段のうち少なくともいずれか一方に流れ込むのを避けるように排気ガスを導く分岐手段と、前記分岐手段により導かれる排気ガスの流量を調整する弁手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて前記弁手段の動作を制御する弁制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 内燃機関の排気ガス中に含まれるナノ粒子の量を増大させる工程と、排気ガス中に含まれるナノ粒子を処理する工程とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。

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