JP2006258072A

JP2006258072A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006258072A
Application number: JP2005080064A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ito; 伊藤　　博
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP4725149B2

Abstract

【課題】ナノ粒子をフィルタで捕集することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を、大気拡散を抑制すると同時にフィルタで捕集するためのものであり、内燃機関から排出される排気ガスを導く排気通路と、前記排気通路に、前記排気ガス中に含まれる粒子状物質に対して吸着能を有する微粒子を供給する微粒子供給装置と、を備える。ここで、粒子状物質とは、いわゆるナノ粒子のことである。これにより、ナノ粒子を微粒子供給装置から供給される微粒子に吸着させて凝集することができ、ナノ粒子の大気拡散を抑制することができる。また、これまで捕集が難しかった極小径のナノ粒子のフィルタでの捕集効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの粒子状物質を捕集する内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関より排出される排気ガスには、粒子状物質が含まれている。そのため、この粒子状物質を排気ガスより取り除くための排気浄化装置を内燃機関の排気通路に取り付けることが必要となる。排気浄化装置には、フィルタが設けられ、このフィルタによって、粒子状物質が捕集される。このフィルタでは、捕集された粒子状物質に対し、酸化処理などの処理を施している。

粒子状物質は、様々な大きさの微粒子からなり、５０ｎｍ以下の大きさを有する微粒子（以下、単に「ナノ粒子」と称す）と、５０ｎｍよりも大きな微粒子（以下、単に「ＰＭ」と称す）とに大別することができる。この粒子状物質は、排気ガスと共にフィルタに流入し、フィルタによって捕集され、酸化処理がされる。

しかし、ナノ粒子は、その大きさが５０ｎｍ以下と小さいため、大気に拡散しやすく、またフィルタにおける捕集も容易ではない。ナノ粒子の発生の原因としては、近年の燃料噴射圧の高圧化による燃料の微粒化や、内燃機関が、アイドル（軽負荷）状態となることによる燃焼温度の低下、車両減速状態となることによる気筒内圧力の低下によって発生するオイルの吸出し等による可溶有機分（ＳＯＦ）の凝集などが考えられている。

なお、特許文献１では、フィルタの下流側に放電装置を設け、フィルタを通り抜けたナノ粒子を、放電により帯電させ、その帯電させたナノ粒子を、電極を用いて捕集することで、ナノ粒子の数量を低減している。

特開２００４−７６６６９号公報

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、ナノ粒子をフィルタで捕集することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。

本発明の１つの観点では、内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関から排出される排気ガスを導く排気通路と、前記排気通路に、前記排気ガス中に含まれる粒子状物質に対して吸着能を有する微粒子を供給する微粒子供給装置と、を備える。

上記の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を、大気拡散を抑制すると同時にフィルタで捕集するためのものであり、内燃機関から排出される排気ガスを導く排気通路と、前記排気通路に、前記排気ガス中に含まれる粒子状物質に対して吸着能を有する微粒子を供給する微粒子供給装置と、を備える。ここで、粒子状物質とは、いわゆるナノ粒子のことである。これにより、ナノ粒子を微粒子供給装置から供給される微粒子に吸着させて凝集することができ、ナノ粒子の大気拡散を抑制することができる。また、これまで捕集が難しかった極小径のナノ粒子のフィルタでの捕集効率を向上させることができる。

本発明の好適な実施例では、前記微粒子は、炭素微粒子よりも小さい粒子状物質を凝集する作用を有する。

上記の内燃機関の排気浄化装置の他の一態様では、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、をさらに備え、前記運転状態検出手段が所定の運転状態を検知すると、前記微粒子供給装置は前記排気通路に前記微粒子を供給する。内燃機関が所定の運転状態のときに、微粒子供給装置を作動させて、微粒子を排気通路に供給することにより、当該所定の運転状態となることによって発生するナノ粒子を、微粒子に吸着して凝集することができる。

好適な実施例としては、前記運転状態検出手段は、車両減速状態、アクセルオフの状態、エンジン回転変化量が負となる状態、ブレーキオンの状態、排気ブレーキオンの状態のうち、いずれかの状態を所定の運転状態として検知する。

上記の内燃機関の排気浄化装置の一態様では、前記微粒子供給装置は、常時、前記微粒子を生成する微粒子生成装置と、前記排気通路と前記微粒子生成装置との間に配置された制御弁と、を有し、前記制御弁を開くことによって、前記排気通路に前記微粒子を供給する。これにより、制御信号に対する排気通路への微粒子放出の応答性の向上を図ることができる。

好適な実施例としては、前記微粒子供給装置は、前記微粒子として炭素微粒子を用いる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

[第１実施形態]
まず、本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置について説明する。

図１は、本発明に係る排気浄化装置を内燃機関に適用した第１実施形態の概略構成を示している。内燃機関１は、４つの気筒２が一列に並べられた直列４気筒型のディーゼルエンジンで、吸気通路３、排気通路４、及び内燃機関１に対して過給を行うターボ過給機５をそれぞれ備えている。吸気通路３には、エアーフィルタ１３と、吸気流量を計測するエアフロメータ１４と、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａと、コンプレッサ５ａにて圧縮された吸気を冷却するインタークーラ７と、が設けられている。排気通路４には、ターボ過給機５のタービン５ｂと、排気ガス中の有害物質を削減するための排気浄化装置２０と、が設けられている。吸気通路３と排気通路４とはＥＧＲ通路６にて接続されて排気ガスの一部が排気通路４から吸気通路３へ還流される。ＥＧＲ通路６には、吸気通路３に還流させるべき排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ１７と、排気ガスの還流量を調整するためのＥＧＲバルブ８と、がそれぞれ設けられている。内燃機関１には、各気筒２に対応させて４つのインジェクタ９が設けられている。４つのインジェクタ９はコモンレール１０に接続される。コモンレール１０は、燃料タンク（不図示）から燃料を汲み上げてコモンレール１０に圧送するサプライポンプ１１に接続される。

排気浄化装置２０は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９と、内燃機関１の排気ガス中のＰＭを捕集する機能を有するフィルタ２２と、炭素微粒子発生装置２１と、酸化触媒２３と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２４と、を備えている。

炭素微粒子発生装置２１は、フィルタ２２の上流側に設けられており、ＰＭと同程度の大きさの炭素微粒子を発生させ、発生させた炭素微粒子を流出口５０より排気通路４に放出する機能を有する。

炭素微粒子発生装置２１によって発生された炭素微粒子は、エンジンの燃焼過程で発生したＰＭと極めてよく似たエアロゾルとして供給される。エアロゾルとは、分散媒が気体（例：排気ガス）で分散相が固体（例：炭素微粒子）または液体の分散系の状態を示す言葉である。分散相（固体）の微粒子は、非常に活発なブラウン運動によって凝集しやすく、一般には不安定な分散系で、時間と共に重力によって沈降する性質を持つ。このような炭素微粒子を排気ガス通路へ導くことで、ナノ粒子を、凝集させることができる。また、炭素粒子発生装置２１の流出口５０の下流側にフィルタ２２を配置することで、ナノ粒子が吸着した炭素微粒子を、ナノ粒子ごとフィルタ２２で容易に捕集させることができる。

酸化触媒２３は、フィルタ２２の下流側に設けられており、フィルタ２２において処理しきれずに通過したＰＭを酸化する。よって、炭素微粒子発生装置２１は、本発明における微粒子供給装置として機能する。

フィルタ２２と酸化触媒２３との間には排気ガスの空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３２が、設けられ、Ａ／Ｆセンサ３２の検知信号Ｓ１０はＥＣＵ２４に入力される。また、排気浄化装置２０は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９によって吸蔵されたＮＯｘを還元させるために、還元剤（燃料）を排気通路４に添加する燃料添加インジェクタ２８を備えている。燃料添加インジェクタ２８はサプライポンプ１１と接続される。添加用インジェクタ２８による燃料の添加は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９に吸蔵されたＮＯｘを還元させる必要に応じ、Ａ／Ｆセンサ３２からの入力信号Ｓ１０に基づいてＥＣＵ２４にて制御される。

ＥＣＵ２４は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成され、アクセルセンサ３１、ブレーキセンサ３２、回転速度センサ３３、排気ブレーキセンサ３４と電気的に接続されている。アクセルセンサ３１は、アクセルペダル（図示なし）が踏み込まれたことを示す検知信号Ｓ１を、ブレーキセンサ３２は、ブレーキペダル（図示なし）が踏み込まれたことを示す検知信号Ｓ２を、回転速度センサ３３は、内燃機関１の機関回転速度を示す検知信号Ｓ３を、排気ブレーキセンサ３４は、排気ブレーキが作動したことを示す検知信号Ｓ４を、それぞれ、ＥＣＵ２４に供給する。ＥＣＵ２４は、アクセルセンサ３１、ブレーキセンサ３２、回転速度センサ３３、排気ブレーキセンサ３４からの検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を基に、内燃機関１が、アクセルオフの状態、エンジン回転変化量が負となる状態、ブレーキオンの状態、排気ブレーキオンの状態となるときを検知する。なぜなら、内燃機関１の運転状態が、このようなアイドル状態、または車両減速状態となる場合にナノ粒子が特に多く発生する傾向があるからである。従って、ＥＣＵ２４は、内燃機関１の運転状態が、このようなアイドル状態、または車両減速状態であると判定すると、排気ガス中にナノ粒子が発生していると推測し、炭素微粒子を排気通路４に放出するために、炭素微粒子発生装置２１に制御信号Ｓ５を供給する。よって、アクセルセンサ３１、ブレーキセンサ３２、回転速度センサ３３、排気ブレーキセンサ３４は、本発明における運転状態検出手段として機能する。

図２は、フィルタ２２の断面図を示す。フィルタ２２は、多数のセル（貫通孔）５１を有するハニカム状に形成されている。セル５１はそれぞれ両端のうち一方においてプラグ５２で栓詰めがされている。プラグ５２は、入口端５１ｉｎにおいて栓詰めされているセル５１と、出口端５１ｏｕｔにおいて栓詰めされているセル５１が交互に配列されるように設けられている。互いに隣り合うセル５１の間には、隔壁５３が設けられ、微細な孔５４が多数形成されている。フィルタ２１の入口端５１ｉｎに導かれたＰＭ５５およびナノ粒子５６を含む排気ガスは、矢印６１で示すように、隔壁５３を通過して、出口端５１ｏｕｔに導かれる。排気ガスが隔壁５３を通過する際、排気ガス中に含まれるＰＭ５５は、その慣性力により破線矢印６１ａに示す経路を辿り、隔壁５３に衝突する。このように慣性衝突によって、ＰＭ５５は隔壁５３で捕集される。隔壁５３には、白金（Ｐｔ）や酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の酸化触媒物質が担持されており、フィルタ２２は、酸化触媒物質の作用により捕集したＰＭ５５の酸化を促進する機能を有する。しかし、ナノ粒子５６は、ＰＭ５５と較べて質量が小さいので、その慣性力も小さい。よって、矢印６２に示すように、ナノ粒子５６は、隔壁５３で捕集されず、排気ガスとともに出口端５１ｏｕｔに導かれて、結局、フィルタ２２を通り抜けてしまうことがある。そこで、本発明の排気浄化装置では、フィルタ２２の上流側において、炭素微粒子発生装置２１より放出された炭素微粒子にナノ粒子を吸着させることにより、ナノＰＭの大気拡散を抑制すると同時に、炭素微粒子と共にナノ粒子をフィルタ２２で捕集させることを可能とする。

図３は、炭素微粒子発生装置２１の内部構造を示す断面図である。炭素微粒子発生装置２１は、容器４２の内部に黒鉛電極４１ａ、４１ｂを有する構造とされる。炭素微粒子発生装置２１は、黒鉛電極４１ａ、４１ｂの間に高電圧を印加して、コロナ放電を発生させることにより、黒鉛電極４１ａ、４１ｂにおいて炭素微粒子Ｃｎを生成する。また、炭素微粒子発生装置２１は、外部より流入されたキャリアガスによって、排気通路に通じるガスの流れを有している。黒鉛電極４１ａ、４１ｂで生成された炭素微粒子Ｃｎは、このキャリアガスに乗せられて、排気通路４へと運ばれる。ここで、キャリアガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられる。黒鉛電極４１ａ、４１ｂの間に印加される電圧の大きさは、図１に示すＥＣＵ２４からの制御信号Ｓ５により制御される。炭素微粒子発生装置２１は、制御信号Ｓ５が供給されると、黒鉛電極４１ａ、４１ｂの間に電圧を印加して、炭素微粒子Ｃｎの生成を開始し、制御信号Ｓ５に従って印加される電圧の大きさを変化させることにより、炭素微粒子Ｃｎの生成量を調節する。即ち、炭素微粒子発生装置２１による炭素微粒子Ｃｎの発生の有無はＥＣＵ２４からの制御信号Ｓ５により制御される。

図４は、炭素微粒子発生装置２１より放出された炭素微粒子の流出口５０の拡大図である。炭素微粒子発生装置２１によって生成された炭素微粒子Ｃｎは、キャリアガスに乗って、排気通路４まで運ばれた後、排気通路４を流れる排気ガス中に放出される。炭素微粒子は、ナノ粒子を吸着する性質があるので、排気ガス中のナノ粒子Ｐａは、放出された炭素微粒子Ｃｎに吸着する。ここで、炭素微粒子発生装置２１によって生成される炭素微粒子Ｃｎの大きさは、５０ｎｍよりも大きい。一方、炭素微粒子Ｃｎに吸着するナノ粒子Ｐａの大きさは、炭素微粒子の大きさよりも小さく、一般的には、炭素微粒子の１０分の１程度の大きさのものが多い。よって、１つの炭素微粒子Ｃｎに、複数のナノ粒子Ｐａが吸着することができる。このようにすることで、炭素微粒子によって、特に１０ｎｍ以下の極小のナノ粒子を効果的に凝集することができる。

ナノ粒子Ｐａが吸着した炭素微粒子Ｃｎは、排気ガスと共に、下流側のフィルタ２２に流入する。炭素微粒子Ｃｎの大きさは、５０ｎｍよりも大きいことから、ＰＭの粒径範囲とよく似ている。従って、フィルタ２２は、炭素微粒子Ｃｎを、ＰＭと同様に捕集することができる。このとき、ナノ粒子Ｐａは、炭素微粒子Ｃｎに吸着しているので、フィルタ２２は、炭素微粒子Ｃｎと共にナノ粒子Ｐａもフィルタ２２で捕集することができる。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置について説明する。

図５は、本発明に係る排気浄化装置２０ａを内燃機関に適用した第２実施形態の概略構成を示している。図６は、炭素微粒子発生装置２１より放出された炭素微粒子の流出口５０ａの拡大図である。第１実施形態に係る排気浄化装置２０では、炭素微粒子発生装置２１は、ＥＣＵ２４からの制御信号Ｓ５によって、炭素微粒子の生成の有無を制御している。それに対し、第２実施形態に係る排気浄化装置２０ａでは、炭素微粒子発生装置２１を常時作動させておいて、炭素微粒子を常に生成して放出する状態とし、この炭素微粒子発生装置２１の炭素微粒子の流出口に、排気通路４へ流入する炭素微粒子の量を調節する制御弁２６が設けられる。制御弁２６が閉弁状態のとき、炭素微粒子発生装置２１で発生した炭素微粒子は、制御弁２６で留められることにより溜められる。

この制御弁２６は、ＥＣＵ２４からの制御信号Ｓ５によって制御される。これにより、ＥＣＵ２４からの炭素微粒子Ｃｎの排気通路への放出を指示する制御信号Ｓ５が制御弁２６に供給されると、制御弁２６は、開弁を行うことにより、制御弁２６で溜められている炭素微粒子Ｃｎを排気通路４に放出する。従って、第２実施形態に係る排気浄化装置２０ａでは、制御弁２６を開くだけで、即時に、予め生成されている炭素微粒子Ｃｎを、排気通路４へ放出することができる。よって、第１実施形態に係る排気浄化装置２０と比較して、炭素微粒子Ｃｎを排気通路へ放出するまでの間の時間が少なくて済む。よって、第２実施形態に係る排気浄化装置２０ａでは、ＥＣＵ２４からの制御信号Ｓ５に対する炭素微粒子放出の応答性の向上を図ることができる。

[炭素微粒子発生制御処理]
次に、本発明の排気浄化装置における炭素微粒子発生制御処理の詳細について、第１実施形態に係る排気浄化装置２０を例に、図７を用いて具体的に説明する。ＥＣＵ２４は、ＲＯＭなどのメモリに記憶されているプログラムに従って、炭素微粒子発生制御処理を行う。

図７は、第１実施形態に係る炭素微粒子発生制御処理のフローチャートである。本発明の炭素微粒子発生制御処理は、内燃機関１がアイドル状態もしくは車両減速状態となるときに発生するナノ粒子を、炭素微粒子に吸着させることにより凝集し、ＰＭと同程度の大きさの微粒子に大径化する。

ＥＣＵ２４は、アクセルセンサ３１、ブレーキセンサ３２、回転速度センサ３３、排気ブレーキセンサ３４のそれぞれより供給される検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を基に、内燃機関１の運転状態を検知する（ステップＳ１０１）。ＥＣＵ２４は、検知された運転状態を基に、内燃機関１がアイドル状態もしくは車両減速状態であるかの判定を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、ＥＣＵ２４は、検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を基に、アクセルオフの状態、エンジン回転変化量が負の状態、ブレーキオンの状態、排気ブレーキオンの状態のうち、いずれかの状態を検知したときに、内燃機関１が、アイドル状態もしくは車両減速状態であるとして判定する。内燃機関１が、アイドル状態もしくは車両減速状態であるならば（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２４は、炭素微粒子発生装置２１に作動のための制御信号Ｓ５を供給する（ステップＳ１０３）。これにより、炭素微粒子発生装置２１は、作動を開始することにより、炭素微粒子の生成を行い、排気通路に炭素微粒子を放出する。

このようにして、排気通路に放出された炭素微粒子は、ナノ粒子を吸着することで、ナノ粒子を凝集する。一方、ＥＣＵ２４が、検知された内燃機関１の運転状態がアイドル状態もしくは車両減速状態のどちらでもない場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ＥＣＵ２４は、炭素微粒子発生装置２１に制御信号Ｓ５を供給することで、炭素微粒子発生装置２１が作動しているのであれば、停止させる制御を行う（ステップＳ１０４）。なお、第２実施形態に係る排気浄化装置２０ａの場合には、制御弁２６を閉弁することにより、炭素微粒子の放出を停止する。

なお、第２実施形態に係る排気浄化装置２０ａの場合には、図７中に括弧で示すように、ステップＳ１０３においては制御弁２６を開弁することにより、予め生成されている炭素微粒子を放出する。こうして、炭素微粒子発生装置２１が常時発生している炭素微粒子を排気通路へ放出する。また、ステップＳ１０４においては制御弁２６を開弁せず、閉弁状態を維持する。これにより、炭素微粒子が排気通路へ放出されないようにする。

以上のように、本発明によれば、ナノ粒子を、微粒子供給装置から供給される微粒子に吸着させて凝集することで大径化させることができ、大気拡散を抑制すると同時に、フィルタで容易に捕集させることが可能となる。

第１実施形態の排気浄化装置を内燃機関に適用した実施形態を示した図である。排気浄化装置のフィルタを示した図である。炭素微粒子発生装置を示した図である。排気通路における炭素微粒子発生装置の流出口の拡大図である。第２実施形態の排気浄化装置を内燃機関に適用した実施形態を示した図である。排気通路における炭素微粒子発生装置の流出口の拡大図である。第１実施形態の排気浄化装置の炭素微粒子発生制御処理のフローチャート。

符号の説明

１内燃機関
４排気通路
２０排気浄化装置
２１炭素微粒子発生装置
２２フィルタ
２３酸化触媒
２４ＥＣＵ

Claims

内燃機関から排出される排気ガスを導く排気通路と、
前記排気通路に、前記排気ガス中に含まれる粒子状物質に対して吸着能を有する微粒子を供給する微粒子供給装置と、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
前記微粒子は、炭素微粒子よりも小さい粒子状物質を凝集する作用を有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。
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、をさらに備え、
前記運転状態検出手段が所定の運転状態を検知すると、前記微粒子供給装置は前記排気通路に前記微粒子を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記運転状態検出手段は、車両減速状態、アクセルオフの状態、エンジン回転変化量が負となる状態、ブレーキオンの状態、排気ブレーキオンの状態のうち、いずれかの状態を所定の運転状態として検知することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記微粒子供給装置は、
常時、前記微粒子を生成する微粒子生成装置と、
前記排気通路と前記微粒子生成装置との間に配置された制御弁と、を有し、
前記制御弁を開くことによって、前記排気通路に前記微粒子を供給することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記微粒子供給装置は、前記微粒子として炭素微粒子を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。