JP2007056750A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ粒子を始めとする微粒子を低減することが可能な内燃機関の排気浄化システムを提供する。
【解決手段】内燃機関１の運転状態を検知する手段。気筒２内に燃料を噴射するインジェクタ９の燃料噴射圧を調節する手段。運転状態検知手段が、内燃機関の運転状態をアイドル状態や車両減速状態といった低負荷運転状態であると検知すると、燃料噴射圧を減圧する手段。これにより、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態の場合におけるナノ粒子の発生を抑制することができる。また、噴射圧調節する手段は、運転状態検知手段が、内燃機関の運転状態を定常走行状態といった中負荷以上の運転状態であると検知すると、燃料噴射圧を昇圧する。これにより、内燃機関の運転状態が中負荷以上の運転状態の場合におけるナノ粒子を含む微粒子全体の発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス中の微粒子を浄化する内燃機関の排気浄化システムに関する。

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フィルタを内燃機関の排気通路に取り付けることが必要となる。このフィルタは、粒子状物質を捕集し、捕集された粒子状物質に対し、酸化処理などの処理を施すことにより浄化している。

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、より詳しくは内燃機関の潤滑油成分に由来し、潤滑油燃焼後の形態、あるいは潤滑油凝集成分もしくは燃焼成分と未燃焼成分の凝集体であるとされる微粒子（以下、単に「ナノ粒子」と称す）と、５０ｎｍよりも大きく、一般にスス（soot）、可溶有機分（ＳＯＦ）、酸化硫黄（サルフェート）を成分とする微粒子（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、通常のＰＭとはフィルタに対する振舞いが異なる。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が挙げられる。

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。特許文献２では、車両減速状態でコモンレールの圧力を下げ、燃焼を緩慢にすることで燃焼音を抑制する技術が記載されている。

特開２００４−７６６６９号公報 特開２００４−１５６５７８号公報

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、ナノ粒子を始めとする微粒子を低減することが可能な内燃機関の排気浄化システムを提供する。

本発明の１つの観点では、内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタの燃料噴射圧を調節する噴射圧調節手段と、前記内燃機関の運転状態を検知する運転状態検知手段と、を備え、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を低負荷運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を減圧し、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を中負荷以上の運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を昇圧する。

上記の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、噴射圧調節手段と、運転状態検知手段と、を備えている。前記運転状態検知手段は、前記内燃機関の運転状態を検知する。前記噴射圧調節手段は、前記インジェクタの燃料噴射圧を調節する。前記噴射圧調節手段は、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態をアイドル状態や車両減速状態といった低負荷運転状態であると検知すると、前記燃料噴射圧を減圧する。これにより、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態の場合におけるナノ粒子の発生を抑制することができる。また、前記噴射圧調節手段は、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を定常走行状態といった中負荷以上の運転状態であると検知すると、前記燃料噴射圧を昇圧する。これにより、内燃機関の運転状態が中負荷以上の運転状態の場合におけるナノ粒子を含む微粒子全体の発生を抑制することができる。このように、検知された内燃機関の運転状態に応じて、インジェクタの燃料噴射圧の減圧及び昇圧の制御を行うことで、微粒子の発生の最適な抑制を行うことができる。

上記の内燃機関の排気浄化システムの一態様では、前記内燃機関より排出される排気ガスを導く排気通路と、前記排気通路によって結ばれ、前記排気ガス中に含まれる微粒子を、蓄積した後、酸化により浄化するフィルタと、前記フィルタに蓄積されている前記微粒子の量を検知するフィルタ微粒子量検知手段と、を備え、前記フィルタ微粒子量検知手段が前記フィルタに蓄積された前記微粒子の量が所定量以下であると検知した場合において、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を低負荷運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を減圧し、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を中負荷以上の運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を昇圧する。これにより、フィルタ再生直後などのフィルタの隔壁の孔が大きい状態となる場合に、フィルタを通り抜けてしまうナノＰＭの発生を抑制することができる。

上記の内燃機関の排気浄化システムの他の一態様では、前記排気通路の一部を迂回する迂回通路と、前記迂回通路へ流入する排気ガスの流量を調節する流量調節手段と、を備え
前記フィルタ微粒子量検知手段が、前記フィルタに蓄積された微粒子の量が所定量以下であると検知すると、前記流量調節手段は、排気ガスの一部を迂回通路へ流入させる。これにより、さらに、発生したナノ粒子を凝集してＰＭと同程度の大きさの微粒子に大径化することができ、下流側にあるフィルタで効率良く捕集することができる。

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、第１実施形態に係る排気浄化システムについて説明する。図１は、第１実施形態に係る排気浄化システムを適用した内燃機関１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、内燃機関１に対して過給を行うターボ過給機５、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２４を備えている。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、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９と、内燃機関１の排気ガス中のＰＭを捕集するとともに、ＮＯｘを吸蔵及び還元する機能を有するフィルタ２２と、フィルタ２２において処理しきれずに通過したＰＭを酸化する酸化触媒２３と、を備えている。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。

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１５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。４つのインジェクタ９は夫々、コモンレール１０に圧送された燃料を４つの気筒２内に噴射する。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関１の運転状態、フィルタ２２のＰＭの蓄積量を基にインジェクタ９の燃料噴射圧を調節するものである。従って、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムは、ＥＣＵ２４、インジェクタ９、フィルタ２２をその構成要素として備える。

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）の踏み込み量を示す検知信号Ｓ１を、ブレーキセンサ３２はブレーキペダル（図示なし）の踏み込み量を示す検知信号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、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のそれぞれより供給される検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を基に、アクセルの状態、エンジン回転変化量、ブレーキの状態を検知する。ＥＣＵ２４は、これらの状態が、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のうち、いずれかの状態であると検知した場合、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といった低負荷運転状態にあると判定する。一方、ＥＣＵ２４は、これらの状態が、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のうち、いずれの状態にもなっていないと検知した場合、内燃機関１の運転状態が、定常走行状態といった中負荷以上の運転状態にあると判定する。従って、ＥＣＵ２４は、本発明の第１実施形態に係る排気浄化システムの運転状態検知手段として機能する。

ＥＣＵ２４は、検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を基に判定された内燃機関１の運転状態に応じて、サプライポンプ１１に制御信号Ｓ４を供給することにより、サプライポンプ１１がコモンレール１０に燃料を圧送する際におけるポンプ圧を調節する。ＥＣＵ２４は、ポンプ圧を調節することで、インジェクタ９の燃料噴射圧を制御する。従って、ＥＣＵ２４は、本発明の第１実施形態に係る排気浄化システムの噴射圧調節手段としても機能する。

フィルタ２２の入口側には、圧力センサ３４が設けられ、出口側には、圧力センサ３５が設けられる。ＥＣＵ２４は、圧力センサ３４、３５と電気的に接続されている。圧力センサ３４は、フィルタ２２の入口側の圧力の大きさを示す検知信号Ｓ５を、圧力センサ３５は、フィルタ２２の出口側の圧力の大きさを示す検知信号Ｓ６を、それぞれ、ＥＣＵ２４に供給する。後に詳しく述べるが、ＥＣＵ２４は、圧力センサ３４、３５より供給される検知信号Ｓ５、Ｓ６を基に、フィルタ２２に捕集され、蓄積されたＰＭの量（以下、単に「ＰＭ蓄積量」と称す）を算定する。従って、ＥＣＵ２４は、本発明の第１実施形態に係る排気浄化システムのフィルタ微粒子量検知手段としても機能する。

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２２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の酸化を促進して浄化する機能を有する。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。そのため、ナノ粒子の発生を何らかの方法で抑制する必要がある。

図３は、アイドル時における粒子数分布のグラフを示す。図３では、横軸に微粒子の直径の大きさを示し、縦軸に微粒子数濃度を示す。ある燃料噴射圧における粒子数分布は、グラフ２０１として示される。図３を見てみると、グラフ２０１は、粒子径５０ｎｍ以下のナノ粒子の山と、粒子径５０ｎｍよりも大きなＰＭの山の２つの山を有するグラフとなることが分かる。一方、当該燃料噴射圧よりも高い燃料噴射圧における粒子数分布は、グラフ２０２として示され、当該燃料噴射圧よりも低い燃料噴射圧における粒子数分布は、グラフ２０３として示される。グラフ２０２は、グラフ２０１と比較して、ナノ粒子の山が大きくなり、ＰＭの山が小さくなっている。このことから、燃料噴射圧が高くなれば、ナノ粒子の発生量が増え、ＰＭの発生量は減ることが分かる。グラフ２０３は、グラフ２０１と比較して、ＰＭの山が大きくなり、ナノ粒子の山が小さくなっている。このことから、燃料噴射圧が低くなれば、ナノ粒子の発生量が減り、ＰＭの発生量は増えることが分かる。従って、ＥＣＵ２４は、検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を基に、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いった低負荷運転状態であると判定すると、サプライポンプ１１に制御信号Ｓ４を供給して、インジェクタ９の燃料噴射圧の減圧を行う。これにより、内燃機関１の運転状態が低負荷運転状態の場合におけるナノ粒子の発生を抑制することができる。

図４は、定常走行時における粒子数分布のグラフを示す。図４では、横軸に微粒子の直径の大きさを示し、縦軸に微粒子濃度を示す。ある燃料噴射圧における粒子数分布は、グラフ３０１として示される。図４を見てみると、図３と異なり、グラフ３０１は、ナノ粒子の山を有さないグラフとなるが、粒子径が５０ｎｍに近い粒子径の値を頂点とする裾野の広い大きなＰＭの山を有していることが分かる。このことから、定常走行時においては、粒子径が５０ｎｍに近い大きさのナノ粒子が、大量に発生することが分かる。一方、当該燃料噴射圧よりも高い燃料噴射圧における粒子数分布は、グラフ３０２として示される。グラフ３０２も、裾野の広いＰＭの山を有してはいるが、このときの微粒子濃度は、グラフ３０１における微粒子濃度よりも全体的に大幅に低くなっていることが分かる。従って、ＥＣＵ２４は、検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を基に、内燃機関１の運転状態が、このような定常走行状態といった中負荷以上の運転状態であると判定すると、サプライポンプ１１に制御信号Ｓ４を供給して、インジェクタ９の燃料噴射圧の昇圧を行う。これにより、内燃機関１の運転状態が中負荷以上の運転状態の場合におけるナノ粒子を含む微粒子全体の発生を抑制することができる。

以上に述べたように、ＥＣＵ２４は、検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を基に、内燃機関１の運転状態を判定し、インジェクタ９の燃料噴射圧の減圧及び昇圧の制御を行う。これにより、内燃機関１の夫々の運転状態に応じて、ナノ粒子を含む微粒子全体の発生の最適な抑制を行うことができる。

（第１実施形態における微粒子低減処理）
次に、第１実施形態における微粒子低減処理について述べる。図２で述べたように、ＰＭは、慣性衝突によって、フィルタ２２の隔壁５３で捕集される。このフィルタ２２の隔壁５３にＰＭが捕集され続けると、ＰＭがフィルタ２２の隔壁５３に蓄積する。フィルタ２２の隔壁５３に形成された孔５４は、フィルタ２２の隔壁５３に蓄積されたＰＭによって、その周囲が覆われ、次第に小さくなる。そのため、ＰＭがフィルタ２２の隔壁５３に蓄積されると、ナノ粒子であっても次第にフィルタ２２の隔壁５３に捕集されるようになる。しかし、蓄積されたＰＭが、フィルタ２２の隔壁５３の酸化物質によって酸化され、除去された時には、即ち、フィルタ再生直後には、フィルタ２２における隔壁５３の孔５４は本来の大きさに戻るため、ナノ粒子は、再び、フィルタ２２を通り抜けるようになる。このことから、ナノ粒子の発生を抑制する必要性が特に高いのは、フィルタ再生直後であることが分かる。そこで、第１実施形態に係る微粒子低減処理の一例として、このようなフィルタ再生直後に微粒子低減処理を行う場合について述べる。

図５は、第１実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートである。まず、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のそれぞれより供給される検知信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を基に、アクセルの状態、エンジン回転変化量、ブレーキの状態を検知する（ステップＳ４０１）。

次に、ＥＣＵ２４は、圧力センサ３４、３５より供給された検知信号Ｓ５、Ｓ６を基に、フィルタ２２の入口側における排気ガスの圧力の値から、フィルタ２２の出口側における排気ガスの圧力の値を引いたときの差、即ち、フィルタ２２における圧力損失を求め、この圧力損失よりフィルタ２２の状態がフィルタ再生直後か否かを判定する（ステップＳ４０２）。詳しく述べると、フィルタ２２における隔壁５３の孔５４が大きくなると、排気ガスはフィルタ２２を流れ易くなることから、フィルタ２２における隔壁５３の孔５４が大きくなると、フィルタ２２における圧力損失は減少すると考えられる。従って、ＥＣＵ２４は、フィルタ２２における圧力損失の値より、フィルタ２２における隔壁５３に蓄積したＰＭ堆積量を算定することができる。ＥＣＵ２４は、算定されたＰＭ堆積量が、所定量よりも少ない（例えば、ＰＭ堆積量が０．１ｇよりも少ない）ときには、フィルタ再生直後であると判定し、所定量以上となるときには、フィルタ再生直後でないと判定する。ＥＣＵ２４は、フィルタ再生直後でないと判定した場合には、微粒子低減処理を終了する。なぜならば、このとき、フィルタ２２における隔壁５３の孔５４は、ＰＭの堆積によって小さくなっているため、フィルタ２２における隔壁５３は、ナノ粒子も、ある程度、捕集することが可能な状態となっていると考えられるからである。一方、ＥＣＵ２４は、フィルタ再生直後であると判定した場合には、燃料噴射圧最適化制御を実行した後（ステップＳ４０３）、微粒子低減処理を終了する。

次に、燃料噴射圧最適化制御について説明する。まず、ＥＣＵ２４は、ステップＳ４０１において検知されたアクセルの状態、エンジン回転変化量、ブレーキの状態より、内燃機関１の状態が、アイドル状態もしくは車両減速状態といった低負荷運転状態にあるのか、又は、定常走行状態といった中負荷以上の運転状態にあるのか、について判定する。

ＥＣＵ２４は、判定された内燃機関１の状態によって、インジェクタ９の燃料噴射圧の調節を行う。具体的には、ＥＣＵ２４は、内燃機関１の状態が低負荷運転状態にあると判定すれば、インジェクタ９の燃料噴射圧を減圧し、内燃機関１の状態が中負荷以上の運転状態にあると判定すれば、インジェクタ９の燃料噴射圧を昇圧する。

ここで、ＥＣＵ２４によって行われるインジェクタ９の燃料噴射圧の調節について詳細に述べる。このインジェクタ９の燃料噴射圧の調節は、燃料噴射期間やノッキングを引き起こさないための条件を制約条件とした上で行われる。

図６は、内燃機関１の状態が低負荷運転状態にある場合における燃料噴射圧とナノ粒子排出濃度の関係を示すグラフである。グラフ５０１に示すように、燃料噴射圧とナノ粒子排出濃度の関係はほぼ比例関係を示し、燃料噴射圧が高いほど、ナノ粒子排出濃度が高くなる。この燃料噴射圧とナノ粒子排出濃度の関係のグラフ５０１は、予め、マップとしてＲＯＭなどに記憶されている。ＥＣＵ２４は、内燃機関１の状態が低負荷運転状態にあると判定すれば、当該マップを基に、ナノ粒子排出濃度が所定の許容値となるまで、制御信号Ｓ４をサプライポンプ１１に供給することにより、インジェクタ９の燃料噴射圧を減圧する。これにより、フィルタ２２に流入するナノ粒子の量を減少させることができる。

一方、ＥＣＵ２４は、内燃機関１の状態が中負荷以上の運転状態にあると判定すれば、制御信号Ｓ４をサプライポンプ１１に供給することにより、インジェクタ９の燃料噴射圧を昇圧する。先に述べたように、内燃機関１の状態が中負荷以上の運転状態の場合には、燃料噴射圧を昇圧することにより、ナノ粒子を含む微粒子全体の発生量を減少させることができる。そこで、燃料噴射圧とナノ粒子を含む微粒子の排出濃度の関係を示すマップを予めＲＯＭなどに記憶しておき、ＥＣＵ２４は、当該マップを基に、微粒子の排出濃度が所定の許容値となるまで、制御信号Ｓ４をサプライポンプ１１に供給することにより、インジェクタ９の燃料噴射在を昇圧する。これにより、フィルタ２２に流入するナノ粒子を含む微粒子全体の量を減少させることができる。

この燃焼噴射圧最適化制御は、フィルタ２２の圧力損失より求められるＰＭ堆積量が所定量（例えば、０．１ｇ）以上となるまで繰り返され、当該所定量以上となった時点で終了する。

以上に述べた第１実施形態に係る微粒子低減処理を行うことにより、フィルタ再生直後におけるフィルタ２２の隔壁５３の孔５４が大きい状態となる場合に、フィルタ２２を通り抜けてしまうナノＰＭの発生を抑制することができる。

[第２実施形態]
次に、第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムについて説明する。図７は、第２実施形態に係る排気浄化システムを適用した内燃機関１の概略構成を示している。第１実施形態に係る内燃機関の構成とは異なり、第２実施形態に係る内燃機関の構成では、更に、排気ガス中のナノ粒子をＰＭ程度の大きさに凝集して大径化する機能を有するナノ粒子凝集装置２１が、フィルタ２２の上流側の排気通路４上に設置されている。

本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムは、フィルタ２２のＰＭ蓄積量を基にナノ粒子凝集装置を用いて排気ガス中のナノ粒子を大径化するものである。従って、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムは、ＥＣＵ２４、ナノ粒子凝集装置２１、フィルタ２２をその構成要素として備える。

ナノ粒子凝集装置２１は、排気通路４から分岐した後、再び排気通路４に合流する迂回（バイパス）通路４２を有している。迂回通路４２の排気ガスが流入する入口には、切り替えバルブ４１が備えられており、切り替えバブル４１を制御することにより、迂回通路４２への開閉が行われると共に、排気ガスの流れ込む流量が調整される。この切り替えバルブ４１は、ＥＣＵ２４からの制御信号Ｓ７により、制御される。従って、ＥＣＵ２４は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの流量調節手段として機能する。

図８は、排気通路における滞留時間と、滞留時間に対するナノ粒子の最大の大きさ、即ちピーク粒子径の関係を示すグラフであり、図９は、排気通路における滞留時間と、滞留時間に対するナノ粒子の数量を示すグラフである。図８のグラフ５１０が示すように、ピーク粒子径は、排気通路における滞留時間が経過するにつれて、大きくなる。これは、滞留時間が経過するにつれて、滞留しているナノ粒子同士が、衝突や吸着を繰り返すことにより、凝集して大径化するからである。このように、ナノ粒子は、滞留時間の経過と共に凝集する性質を有する。よって、ナノ粒子は、滞留時間が長ければ、その大きさが５０ｎｍよりも大きな微粒子、即ち、ＰＭと同程度の大きさの微粒子に凝集し、大径化することができる。

図９のグラフ５２０が示すように、ナノ粒子の数量は、滞留時間が経過するにつれて、減少している。これは、ナノ粒子が凝集を行い、ＰＭと同程度の大きさの微粒子に大径化することにより、ナノ粒子単体の数量が減少するからである。グラフ５２０から分かるように、ナノ粒子数は、滞留を始めてから、ある所定の滞留時間Ｔまでは、急速に減少し続け、それよりも長い時間では、ナノ粒子数の減少数は、緩やかとなる。従って、最低でもナノ粒子を、滞留時間Ｔの間、排気通路に滞留させることが、ナノ粒子数を減少させる上で効果的である。一般的には、この滞留時間Ｔとしては、５秒程度である。

図１０は、ナノ粒子凝集装置２１の斜視図である。切り替えバルブ４１は、図示を省略している。図１０が示すように、迂回通路４２は、排気通路４に対し、らせん状に巻きついて囲む形状となる。この迂回通路４２は、ナノ粒子を、滞留させることにより、凝集させる機能を有する。従って、迂回通路４２は、先に述べた理由により、最低でも滞留時間Ｔの間、ナノ粒子を滞留させる必要がある。そこで、迂回通路４２の経路の長さは、排気ガスの量、排気通路４２の管径から計算されるナノ粒子の滞留時間が、滞留時間Ｔ以上となる長さとされる。なお、ナノ粒子凝集装置２１では、迂回通路４２が、排気通路４に対し、らせん状に巻きついて囲む構造としているが、この迂回通路４２の形状は、らせん状には限られない。要は、迂回通路の長さが、ナノ粒子の滞留時間が、滞留時間Ｔ以上となる長さであればよい。第２実施形態に係るナノ粒子凝集装置２１では、迂回通路４２を、排気通路４にらせん状に巻きつける構造とすることにより、余分なスペースを取らずに迂回通路４２を長くすることができる。

次に、ナノ粒子凝集装置２１におけるナノ粒子の凝集の仕組みについて、詳細に述べる。図１１は、切り替えバルブ４１が開いている状態のナノ粒子凝集装置２１の拡大された模式図である。ナノ粒子凝集装置２１は、迂回通路４２が排気通路４から分岐している分岐部分２１ａと、迂回通路４２が排気通路４に対してらせん状に巻きついているらせん部分２１ｂと、迂回通路４２が排気通路４に合流する合流部分２１ｃからなる。

内燃機関１より導かれた排気ガスは、分岐部分２１ａにおいて、そのまま排気通路４を進む流れと、迂回通路４２へ流入する流れとに分かれる。排気ガス中に含まれるナノ粒子も、排気ガスの流れに乗って、排気通路４をそのまま進むナノ粒子Ｐｂと、迂回通路４２へ向かうナノ粒子Ｐａとに分かれる。らせん部分２１ｂにおいて、ナノ粒子Ｐａは、排気通路４に対し、らせん状に巻きつけられた迂回通路４２を進むので、排気通路４を進むナノ粒子Ｐｂに較べ、排気通路４と迂回通路４２の合流部分２１ｃに到達するのに長い時間がかかる。ナノ粒子Ｐａは、迂回通路４２を通過する間、迂回通路４２に流入した他のナノ粒子またはＰＭと、衝突や吸着を繰り返すことにより凝集する。これにより、ナノ粒子Ｐａは、合流部分２１ｃに到達するときには、ＰＭと同程度の大きさの微粒子Ｐａｃに大径化している。さらに、微粒子Ｐａｃは、合流部分２１ｃにおいて、排気通路４をそのまま進んできたナノ粒子Ｐｂも吸着することができる。このように、ナノ粒子凝集装置２１は、ナノ粒子を、凝集することによりＰＭと同程度の大きさの微粒子に大径化、もしくはＰＭに吸着凝集して大径化させることができる。よって、ナノ粒子凝集装置２１の下流側では、ナノ粒子単体の数量を減少させることができる。また、ナノ粒子は、ナノ粒子凝集装置２１で凝集してＰＭと同程度の大きさの微粒子に大径化することにより、フィルタ２２で効率良く捕集されることが可能となる。

（第２実施形態における微粒子低減処理）
次に、第２実施形態における微粒子低減処理について、第１実施形態で述べたのと同様にフィルタ再生直後に微粒子低減処理を行う場合を例に述べる。

図１２は、第２実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートである。ステップＳ６０１では、図５に示した第１実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートにおけるステップＳ４０２と同じ処理が行われる。

ステップＳ６０１において、ＥＣＵ２４は、フィルタ再生直後であると判定した場合には（ステップＳ６０１：Ｙｅｓ）、ナノ粒子凝集装置２１の切り替えバルブ４１に制御信号Ｓ７を供給することによって、切り替えバルブ４１を開き、排気ガスを迂回通路４２へ流入させ、ナノ粒子の凝集を行う（ステップＳ６０２）。このとき、ＥＣＵ２４は、フィルタ２２の圧力損失より求められるＰＭ堆積量が所定量以上となるまで、切り替えバルブ４１を開き、当該所定量以上となった時点で切り替えバルブ４１を閉じる。

一方、ＥＣＵ２４は、内燃機関１の運転状態が、フィルタ再生直後でないと判定した場合には（ステップＳ６０１：Ｎｏ）、切り替えバルブ４１に制御信号Ｓ７を供給することにより、切り替えバルブ４１を閉じる制御を行う（ステップＳ６０３）。

以上に述べた第２実施形態に係る微粒子低減処理を行うことにより、フィルタ再生直後におけるフィルタ２２の孔が大きい状態において、ナノ粒子を、凝集してＰＭと同程度の大きさの微粒子に大径化することができ、下流側にあるフィルタで効率良く捕集することが可能となる。

[第３実施形態]
次に、第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムについて説明する。図１３は、第３実施形態に係る排気浄化システムを適用した内燃機関１の概略構成を示している。図１３に示すように、第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムは、第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムと、第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムを組み合わせたものである。具体的には、ナノ粒子凝集装置を備えた内燃機関において、ナノ粒子凝集装置の切り替えバルブを開くと共に、第１実施形態で述べた内燃機関の燃焼噴射圧の最適化制御処理を行う。従って、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムは、ＥＣＵ２４、インジェクタ９、ナノ粒子凝集装置２１、フィルタ２２をその構成要素として備え、ＥＣＵ２４は、噴射圧調節手段、運動状態検知手段、フィルタ微粒子量検知手段、流量調節手段として機能する。

（第３実施形態における微粒子低減処理）
第３実施形態における微粒子低減処理について、第１実施形態及び第２実施形態で述べたのと同様にフィルタ再生直後に微粒子低減処理を行う場合を例に述べる。

図１４は、第３実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートである。ステップＳ７０１〜Ｓ７０３では、図１２に示した第２実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートにおけるステップＳ６０１〜Ｓ６０３と同じ処理が行われる。第３実施形態に係る微粒子低減処理において、第２実施形態に係る微粒子低減処理と異なる点は、ステップ７０２における切り替えバルブ開制御を行うと共に、ステップＳ７０４で第１実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャート（図５）におけるステップＳ４０３と同じ処理を行う点である。具体的には、ＥＣＵ２４が、ステップＳ７０２において、ナノ粒子凝集装置２１の切り替えバルブ４１に制御信号Ｓ７を供給することによって、切り替えバルブ４１を開き、排気ガスを迂回通路４２へ流入させ、ナノ粒子の凝集を行うと共に、さらに、ステップＳ７０４において、燃料噴射圧最適化制御を行う。

以上のことから分かるように、第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムでは、燃焼噴射圧の最適化制御を行うことにより、ナノ粒子を始めとする微粒子の発生自体を抑制しつつ、発生したナノ粒子を、ナノ粒子凝集装置において、凝集してＰＭと同程度の大きさの微粒子に大径化して、下流側にあるフィルタで効率良く捕集する。つまり、第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムでは、燃料噴射圧の最適化制御の効果とナノ粒子の凝集の効果という２つの効果を併せ持つことができる。

第１実施形態に係る内燃機関を示した図である。 フィルタを示した図である。 アイドル時における粒子数分布のグラフである。 定常走行時における粒子数分布のグラフである。 第１実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートである。 燃料噴射圧とナノ粒子排出濃度の関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る内燃機関を示した図である。 ナノ粒子のピーク粒子径と滞留時間の関係を示した図である。 ナノ粒子の数量と滞留時間の関係を示す図である。 ナノ粒子凝集装置を示した図である。 ナノ粒子凝集装置を示した図である。 第２実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートである。 第３実施形態に係る内燃機関を示した図である。 第３実施形態に係る微粒子低減処理のフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 排気通路
９ インジェクタ
１０ コモンレール
１１ サプライポンプ
２２ フィルタ
２３ 酸化触媒
２４ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
   前記インジェクタの燃料噴射圧を調節する噴射圧調節手段と、
   前記内燃機関の運転状態を検知する運転状態検知手段と、を備え、
   前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を低負荷運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を減圧し、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を中負荷以上の運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を昇圧することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記内燃機関より排出される排気ガスを導く排気通路と、
   前記排気通路によって結ばれ、前記排気ガス中に含まれる微粒子を、蓄積した後、酸化により浄化するフィルタと、
   前記フィルタに蓄積されている前記微粒子の量を検知するフィルタ微粒子量検知手段と、を備え、
   前記フィルタ微粒子量検知手段が前記フィルタに蓄積された前記微粒子の量が所定量以下であると検知した場合において、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を低負荷運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を減圧し、前記運転状態検知手段が、前記内燃機関の運転状態を中負荷以上の運転状態であると検知すると、前記噴射圧調節手段は、前記燃料噴射圧を昇圧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システム。
3. 前記排気通路の一部を迂回する迂回通路と、
   前記迂回通路へ流入する排気ガスの流量を調節する流量調節手段と、を備え
   前記フィルタ微粒子量検知手段が、前記フィルタに蓄積された微粒子の量が所定量以下であると検知すると、前記流量調節手段は、排気ガスの一部を迂回通路へ流入させ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システム。
   

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