JP2007211605A - エンジンの吸気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの運転性能を保ちつつ、エンジン吸気経路にて空気中の微粒子成分や気相成分を捕集することが可能であり、車両が走行することによって大気を浄化可能なエンジンの吸気浄化装置を提供する。
【解決手段】
エンジンに吸入される空気を濾過する濾過性能の異なる複数の濾過装置を車両運転状態によって使いわける。複数の濾過装置は、それぞれ通気抵抗と捕集対象物質が異なる。車両運転状態は、エンジンの運転状態、車両の走行環境状態、濾過装置のうち相対的に通気抵抗の大きい方の濾過装置の劣化状態などで、たとえば、エンジン１の高出力時には通気抵抗の小さいエアクリーナ４を使用し、エンジン１の低出力時には、通気抵抗の大きい高性能濾過装置３を使用する。あるいは、車両の走行環境の大気が劣悪な場合は高性能濾過装置３を使用して大気を浄化する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、エンジンを搭載した車両における吸気浄化装置および方法に関する。

一般に、自動車用エンジンの吸気経路にはエアクリーナが取り付けられており、細かい異物やホコリをフィルタで取り除くことによって、エンジンが吸入する空気を浄化している。

ガソリン・エンジン構造、全国自動車整備専門学校協会、山海堂、1997、ｐｐ143-144

一般に、エアクリーナはエンジンがより多くの空気を吸入できるよう、吸気抵抗が最小限になるように設計されているため、捕集粒径には制限がある。したがって、エアクリーナでは粉塵等の、粒径の大きいゴミのみが捕集され、微小粒子成分や気相成分はエンジンに吸入された後、そのまま排気ガスとして再び大気中に戻される。すなわち、吸入空気を浄化できる機会がありながら、それを活用しきれていない。

さらに、微小粒子成分や気相成分を捕集すべくフィルタを高性能にすると、吸気抵抗が大きくなり、エンジンの運転性能が低下する。

そこで本発明は、エンジンの運転性能を保ちつつ、エンジン吸気経路にて空気中の微小粒子成分や気相成分を捕集することが可能なエンジンの吸気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明では、エンジンに吸入される吸気を濾過する、通気抵抗の異なる複数の濾過装置と、エンジンの運転状態によって前記濾過装置を切り換える手段とを設け、前期エンジンの高出力時には相対的に通気抵抗の小さい濾過装置を使用し、前記エンジンの低出力時には相対的に通気抵抗の大きい濾過装置を使用するよう前記切り換え手段を切り換える。

本発明によれば、エンジンの高出力時には通気抵抗の小さい濾過装置を使用し、エンジンの低出力時には、通気抵抗は大きいが高性能の濾過装置を使用することにより、エンジンの運転性能を保ちつつ、大気を浄化する機能を高めることができる。

以下、本発明の各実施の形態について説明する。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るエンジンの吸気浄化装置について図１に基づいて説明する。

エンジン１は、エンジン１に空気を供給する吸気系と、エンジン１からの排ガスを排出する排気系とを備える。吸気系は、その上流からエアクリーナ（第１の濾過装置）４と、前記エアクリーナ４よりも濾過性能の高い高性能濾過装置（第２の濾過装置）３と、吸気管２とから構成されている。排気系は、排気管５２と、排気浄化装置７から構成されている。

エンジン１は、吸気管２を通して空気を吸入し、その空気を用いて燃料を燃焼させ、動力を発生する。吸気管２の最上流部にはエアクリーナ４が設けられている。エアクリーナ４は、エアクリーナケース４ａと、エアクリーナケース４ａ内に収納されているエアクリーナエレメント４ｂから構成される。エアクリーナエレメント４ｂは濾紙や不織布からなり、吸入された空気がこれを通り抜けることにより、空気中に含まれる粉塵等の異物が捕集される。

エアクリーナケース４ａの上流側には、空気を吸入するエアクリーナケース入口４ｃが設けてあり、エンジンに吸入される空気は、エアクリーナケース入口４ｃからエアクリーナ４に入り、エアクリーナエレメント４ｂを通過し、エアクリーナケース４ａの下流側に設けられているエアクリーナケース出口４ｄへと向かう。エアクリーナケース出口４ｄには吸気通路５１が接続されており、吸気通路５１の下流側には、高性能濾過装置３が設けられている。高性能濾過装置３の浄化装置ケース３ａは、浄化装置入口３ｂの直ぐ下流から分岐し、内部が上下二段の通路に区切られている。上段通路は高性能フィルタ３ｃを有し、下段通路はバイパス通路３３となっている。

上段の高性能フィルタ３ｃは、機能の異なる３つのフィルタを直列状に配置したもので、鉛・ニッケル・クロムなどの微粒子金属成分を捕集するUltra Low Penetration Air Filter（ＵＬＰＡフィルタ）３４、亜酸化窒素を捕集する活性炭フィルタ３５、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）を捕集するイオン交換樹脂３６から構成されている。高性能フィルタ３ｃは前記３つに限定されるものではなく、捕集したい大気中の物質に合わせて選択するとよい。たとえば、大気中のアンモニアを捕集したい場合は、活性炭にリン酸系化合物等のアンモニア吸収剤を担持させたものを配置する。

下段のバイパス通路３３には、浄化装置出口３ｄ近傍に吸気通路切換弁３２が設けられている。吸気通路切換弁３２は図示しない電磁ソレノイド等のアクチュエータによって駆動され、吸気通路切換弁３２の開閉によって、吸気の流路を決定できる。

すなわち、吸気通路切換弁３２が閉じている場合には、吸気は高性能濾過装置３上段の高性能フィルタ３ｃを通る。一方、吸気通路切換弁３２が開いている場合には、吸気は高性能濾過装置３上段の高性能フィルタ３ｃと下段のバイパス通路３３の両方を通ることができるが、バイパス通路３３の方が通気抵抗が小さいので、吸気は主にバイパス通路３３を通り抜ける。

浄化装置ケース３ａの上段と下段の通路は、浄化装置出口３ｄにおいて再び合流し、吸気管２へとつながる。吸気管２内にはスロットルバルブ４２が設けられており、吸気管２の下流側はエンジン１に連通されている。スロットルバルブ４２の開度を後述するコントローラ３９からの信号により原則として運転者の要求（アクセル踏み込み量）に応じて変更することにより、エンジン１に吸入される空気の量が調整できる。エンジン１から出される排気ガスは、排気管５２を通り、途中に設けられた排気浄化装置７で浄化されて、大気へと排出される。

さて、高性能濾過装置３の高性能フィルタ３ｃを浄化性能の高いものにするほど通気抵抗は増し、空気が通りにくくなる。このため、エンジン動力発生に大量の空気を必要とする運転状態ではその運転状態を検出し、エンジン１に供給する空気の浄化を高性能フィルタ３ｃに比べて通気抵抗の小さいエアクリーナ４のみで行うようにする。

すなわち、エンジン出力が大きい場合は吸気量が多いので、吸気通路切換弁３２を開き、吸気がバイパス通路３３を通るようにする。このとき、吸気の浄化はエアクリーナ４のみによって行われる。一方、エンジン出力が小さい場合は吸気量が少ないので、エンジン出力が大きい場合に比べて通気抵抗が大きくてもよい。そこで、吸気通路切換弁３２を閉じ、吸気の浄化をエアクリーナ４と高性能フィルタ３ｃの両方によって行う。

このように、本発明では、エアクリーナ４と高性能フィルタ３ｃをエンジン１の運転状態によって使い分けるのであり、その切換は吸気通路切換弁３２によって行う。

吸気通路切換弁３２はコントローラ３９によって制御される。コントローラ３９は、制御を行うための演算を実行するCPU,読み取り専用メモリ（ROM）およびランダムアクセスメモリ（RAM）を有するメモリ、および制御信号を送る出力インターフェースから成る。

コントローラ３９には、図示しないクランク角センサからのクランク角信号と、アクセル開度センサ８からのアクセル踏み込み量信号が与えられ、コントローラ３９はこれらに基づいてエンジン回転数およびエンジン負荷を算出し、高性能フィルタ３ｃの使用を、エンジンの回転数と負荷によって要求される空気量が高性能フィルタ３ｃを透過できる範囲に限定する。

このためコントローラ３９は図２に示したように、エンジン回転数およびエンジン負荷をパラメータとした高性能フィルタ３ｃ使用領域決定用マップを持ち、高性能フィルタ３ｃを使用するか否かをこのマップに従って決定し、吸気通路切換弁３２を切り換える。図２のマップにおいて破線および太線は等空気量曲線であり、太線の等空気量曲線が、高性能フィルタ３ｃを透過できる限界（最大）の空気量を示す。よって、高性能フィルタ３ｃの使用は、図２におけるハッチング領域に限られる。これ以外の領域では、エンジン１に十分な空気量を供給できないのでエンジン出力が不足となり、車両性能に影響を及ぼすと考えられるため、吸気の浄化はエアクリーナ４のみによって行う。

本実施形態の吸気浄化装置によれば、機能の異なる複数のフィルタを有し、これらをエンジン状態によって使い分けることによって、エンジン性能を損なわずに、吸気を浄化することができる。

さらに、濾過装置によって濾過される空気をエンジンによって吸入することにより、ポンプ等の吸入装置を新たに設置する必要がない。

さらに、浄化性能の高いフィルタで吸気を浄化しているので、微粒子金属成分や亜酸化窒素、ＰＡＨ等の従来の吸気浄化装置では捕集し得なかった成分を捕集することができる。図３に高性能フィルタ３ｃの濾過特性を示す。図３において、一点鎖線は大気中粒子の分布を、実線はエアクリーナ４通過後の空気中粒子の分布を、破線は高性能フィルタ３ｃ通過後の空気中粒子の分布をそれぞれ表す。

図３より、フィルタ通過前の大気中には粒子がかなり含まれており、エアクリーナ４を通過後も、その数はあまり変わらないことがわかる。特に径の小さい粒子に関しては、エアクリーナ４ではほとんど取り除けていない。そこで、高性能フィルタ３ｃを通すことによって、微小粒子を捕集する。図３に示すように、高性能フィルタ３ｃ通過後の空気には、粒子がほとんど含まれておらず、空気が浄化されている。

高性能フィルタ３ｃによって捕集する微粒子金属成分はエンジンの燃焼では発生しないので、吸気系において一度捕集すれば、排ガスに含まれることはない。また、亜酸化窒素、ＰＡＨ等の成分をも捕集し、さらに、超低排出ガス車両においては、大気中の濃度よりも低い濃度の炭化水素や低濃度の窒素酸化物、二酸化炭素のみが排出されるので、結果として、車両が通常に走行することで大気を浄化できる。

さらに、図示しないが、吸気管２と高性能濾過装置３の間に車両のキャビンを介在させると、高性能濾過装置３により大気を浄化してキャビンに導くことも可能であり、外気状態が良くない場合は、キャビン内の空気状態を外気より改善することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係るエンジンの吸気浄化装置について図４に基づいて説明する。

この吸気浄化装置は、第１実施形態の構成に加えて、エアクリーナ４には大気中の粒子数の検出器３８が設置されている。粒子数検出器３８は、たとえば、TSI（登録商標）社のCPC（Condensation Particle Counter、登録商標）などを用いる。さらに、高性能濾過装置３の上段には、温湿度計３７が設置され、高性能フィルタ３ｃの上流側および下流側には圧力センサ６０がそれぞれ設置されている。

吸気通路切換弁３２およびスロットルバルブ４２を作動するアクチュエータは、コントローラ３９によって制御される。

コントローラ３９には、アクセルセンサ８からのアクセル踏み込み量信号と、温湿度計３７からの高性能濾過装置３内の吸気温度および吸気湿度信号ならびに高性能フィルタ３ｃの温度および湿度信号と、粒子数検出器３８からのエアフィルタ４通過後の空気に含まれる粒子数信号と、圧力センサ６０からの高性能フィルタ３ｃ前後の圧力信号が与えられる。

コントローラ３９は、吸気通路切換弁３２の開閉を、これらアクセル踏み込み量と、温度と、湿度と、粒子数とに基づいて決める。さらに、コントローラ３９はスロットルバルブ４２の開度を、アクセル踏み込み量および高性能フィルタ３ｃの劣化状態に基づいて決める。

コントローラ３９による吸気通路切換弁３２およびスロットルバルブ４２の制御の流れを図５に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップ８０において、吸気管負圧が高性能フィルタ３ｃの使用領域に含まれているか否かをコントローラ３９が判定する。

コントローラ３９は図６Ａに示したように、エンジン回転数および吸気管負圧をパラメータとした高性能フィルタ３ｃ使用領域決定用マップを持ち、高性能フィルタ３ｃを使用するか否かをこのマップに従って決定し、吸気通路切換弁３２を切り換える。高性能フィルタ３ｃの使用は、エンジンの回転数と吸気管負圧によって要求される空気量が、高性能フィルタ３ｃを透過できる範囲に限定される。

図６Ａのマップにおいて破線および太線は等空気量曲線であり、太線の等空気量曲線が、高性能フィルタ３ｃを透過できる限界の空気量を示す。よって、高性能フィルタ３ｃの使用は、図６Ａにおけるハッチング領域に限る。これ以外の領域では、エンジン１に十分な空気量を供給できないのでエンジン出力が不足となり、車両性能に影響を及ぼすと考えられるため、吸気の浄化はエアクリーナ４のみによって行う。

ここで、高性能フィルタ３ｃは大気中物質の捕集に伴って経時劣化するので、高性能フィルタ３ｃを使用する運転領域は高性能フィルタ３ｃの劣化状態を考慮して補正される。すなわち、高性能フィルタ３ｃの経時劣化が進むと、図６Bに示すように、同一のエンジン運転状態における高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差が大きくなる。

したがって、あるエンジン回転数においての高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差が、初期の高性能フィルタ３ｃの前後圧力差Pに比べてΔPだけ増大した場合、マップに設定する高性能フィルタ３ｃの使用領域を、図６Ｃに示すように、ΔPだけ拡大する。これにより高性能フィルタ３ｃを使用する領域が実質的に狭まるのを防ぐ。

高性能フィルタ３ｃの劣化状態は、高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差から検出する他に、同一のエンジン運転状態での吸気管圧力、または、運転状態に対応するスロット開度からも検出できる。すなわち、高性能フィルタ３ｃの経時劣化が進むと、高性能フィルタ３ｃが劣化していない場合に比べて、吸気管内の負圧が強くなる（真空側へ変化する）。また、運転状態に対応するスロット開度は、高性能フィルタ３ｃが劣化していない場合に比べて大きくなる。

吸気管負圧が高性能フィルタ３ｃの使用領域に含まれている場合はステップ８４に進む。一方、吸気管負圧が高性能フィルタ３ｃの使用領域に含まれていない場合は、ステップ８１に進む。

ステップ８１において、粒子数検出器３８の検出した大気中の粒子数が許容値以内か否かを判定する。すなわち、エアクリーナ４にて浄化された吸気に含まれる粒子数が許容値以内であれば、吸気は十分に浄化されているので、高性能フィルタ３ｃを通過させる必要がない。よって、ステップ８２へと進み、吸気通路切換弁３２が開かれ、吸気がバイパス通路３３を通ってエンジンに供給される。

一方、エアクリーナ４にて浄化されたにも関わらず、吸気が多くの粒子（異物）を含む場合は、吸気を高性能フィルタ３ｃで浄化する必要があるので、ステップ８３へと進む。

ステップ８３においては、エンジン運転性能よりも大気浄化を優先するモードになっているか否かを判定する。

すなわち、高性能濾過装置３とエアクリーナ４をエンジン運転状態によって使い分ける他、場合によっては運転性を抑えて、大気浄化を優先する設定も可能である。

たとえば、車両の走行地域の大気状態が劣悪な場合などは、求められているエンジン運転状態に関わらずエンジン１に供給する空気の浄化を高性能フィルタ３ｃで行うようにして、あるいは、高性能フィルタ３ｃの使用領域を拡大して、大気を浄化する。

車両の走行地域の大気状態は、たとえば、大気の微小粒子の数を粒子数計測装置で感知したり、大気中の亜酸化窒素濃度などをセンサで感知したりして知ることができる。また、前述のようにオンボードで大気の状態を検出する以外に、たとえば、事前に粒子数を計測して割り出した地域の大気状態や、交通量および周辺環境等（工場地域かどうか等）から推測される地域の大気状態をナビゲーションシステムに予め登録しておいたり、地域に設けられた大気状態の観測地点や大気状態の監視機関から大気観測情報を携帯電話等を用いて取得したりすることもできる。

エンジンの運転性能を優先する場合はステップ８２へと進み、吸気通路切換弁３２が開かれ、吸気がバイパス通路３３を通ってエンジンに供給される。

大気浄化モードに設定されており、エンジンの運転性能を抑えて大気浄化を優先する場合は、ステップ８４に進む。

ステップ８４では、高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差が許容値以内か否かを判定する。圧力センサ６０にて高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差を計測し、高性能フィルタ３ｃの劣化状態を検出する。高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差が大きいほど、高性能フィルタ３ｃが目詰まり等を起こして劣化しているということである。そこで、高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差の許容値を決め、圧力センサ６０によって計測された圧力差が許容値より大きい場合はステップ８２に進み、吸気通路切換弁３２が開かれる。

高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差が許容値以内の場合は、ステップ８５へと進み、吸気通路切換弁３２が閉じられ、吸気は高性能フィルタ３ｃを通過して浄化される。

続いて、ステップ８６において、温湿度計３７にて計測された吸気の温度および湿度ならびに高性能フィルタ３ｃの温度および湿度が許容値以内か否かを判定する。

すなわち、高性能フィルタ３ｃが水分を含んで一時的に詰まった状態となり、高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差が大きくなっていないかを、吸気およびフィルタの温度や湿度から判定する。高性能フィルタ３ｃが水分を含むような温湿度条件の場合は、圧力センサ６０による測定に誤差を生じている可能性があるので、そのまま制御を終了する。吸気の温度および湿度が許容値以下の場合は、ステップ８７に進む。

ステップ８７では、スロットル開度の補正を行う。すなわち、高性能フィルタ３ｃ前後の圧力差が、初期値（高性能フィルタ３ｃが劣化していないとき）よりΔPだけ上昇している場合、図７に示すように、 運転者が意図する速度のアクセル開度よりΔPだけ吸気管内負圧が上昇するよう、スロット開度を開き側に補正し、エンジン出力の相対的な低下を防ぐ。

次に、ステップ８８において、ステップ８７におけるスロット開度の補正量が、予め定めた上限値を超えているか否かを判定する。上限値を超えていない場合は、制御を終了する。上限値を超えている場合は、ステップ８９に進む。

ステップ８９では、高性能フィルタ３ｃの使用領域を初期値より狭める。ステップ９０では、高性能フィルタ３ｃがメンテナンス時期であることを表示等で運転者に知らせる。

本実施形態の吸気浄化装置によれば、第１実施形態の効果に加え、高性能フィルタ３ｃ使用領域を、高性能フィルタ３ｃの劣化状態を考慮して補正しているので、フィルタの劣化に伴って高性能フィルタ３ｃの使用領域が狭くなりすぎることを防げるという効果がある。

さらに、高性能フィルタ３ｃ前後圧力差が初期値よりもΔＰだけ上昇した場合、吸気管内負圧がΔＰだけ大きくなるようにスロットル開度を補正するので、フィルタの劣化がエンジンの運転性能に影響を与えることを防げる。

また、車両の走行地域の大気状態を把握し、大気環境状態が劣悪な場合には運転性能を抑えて大気の浄化を優先する設定にすることにより、大気の浄化を促進することができる。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態に係るエンジンの吸気浄化装置について図８に基づいて説明する。

この実施形態では、特に高性能濾過装置３０の構成が、前記第１の実施形態と相違している。この点を中心に説明する。

エアクリーナ４の下流には吸気通路５１を介して高性能濾過装置３０が接続されるが、吸気通路５１の下流側は二つに分岐し、一方は円筒型の高性能濾過装置３０のフィルタ入口５３ａと接続し、もう一方はフィルタ入口５３ａとフィルタ出口５３ｂをつなぐバイパス通路５４となっている。

バイパス通路５４には吸気通路切換弁３２が設けられている。吸気通路切換弁３２はコントローラ３９によって制御される図示しない電磁ソレノイド等のアクチュエータによって駆動され、吸気通路切換弁３２を開閉することにより、吸気の流路を変えることができる。すなわち、吸気通路切換弁３２を閉じると、吸気はフィルタ入口５３ａへと流れる。一方、吸気通路切換弁３２を開くと、吸気は主にバイパス通路５４を通り、吸気管２へと流れる。

フィルタ入口５３ａおよびフィルタ出口５３ｂは、円筒型の高性能濾過装置３０の入口と出口に連通されている。

円筒型高性能濾過装置３０は、円筒型ケース３０ａおよび石英フィルタ３０ｂから構成されている。フィルタは石英フィルタに限定されるものではなく、捕集したい物質に合わせて選択するとよい。

円筒型ケース３０ａには、円筒型の石英フィルタ３０ｂがその中心軸を中心として回転可能に収められ、石英フィルタ３０ｂは内部が周方向に４等分されている。４等分されているうちの一つはフィルタ入口５３ａに連通され、もう一つはフィルタ出口５３ｂに連通され、残り二つは未使用となっている。

円筒型高性能濾過装置３０はコントローラ３９によって制御される回転アクチュエータ４９によって中心軸を中心として周方向に回転可能であり、石英フィルタ３０ｂの使用部分が劣化した場合は石英フィルタ３０ｂを回転させ、未使用部分をフィルタ入口５３ａおよびフィルタ出口５３ｂと連通させる。

円筒型ケース３０ａの内部には、石英フィルタ３０ｂを挟んで、フィルタ入口５３ａとフィルタ出口５３ｂの反対側に位置して、これらに対峙する形で吸気を案内する湾曲通路５３が形成される。したがって、フィルタ入口５３ａから石英フィルタ３０ｂに流れ込んだ吸気は、石英フィルタ３０ｂを軸方向に流れ進み、湾曲通路５３へと入る。吸気は湾曲通路５３にて流れを反転させられ、フィルタ出口５３ｂと連通している石英フィルタ３０ｂを通り抜け、吸気管２へと流れ出る。

石英フィルタ３０ｂを吸気が通り抜けると、ニッケル化合物やクロム化合物などの重金属微粒子成分や、多環芳香族炭化水素が捕集される。石英フィルタ３０ｂが目詰まりした場合は、円筒型ケース３０ａの外側に配置したフィルタ加熱装置４８によって石英フィルタ３０ｂを加熱し、捕集した多環芳香族炭化水素などの可燃性微粒子を蒸発させる。蒸発させた可燃性微粒子はエンジンに吸入し、燃焼させる。

本実施形態の吸気浄化装置によれば、第１実施形態の効果に加え、湾曲通路５３によって流れを反転させているので、高性能濾過装置の長さを短くすることができる効果がある。

さらに、円筒型の石英フィルタ３０ｂは、予備フィルタを搭載しており、石英フィルタ３０ｂが劣化した場合は円筒型の高性能濾過装置３０を回転させることで、新しいフィルタを使用可能なので、フィルタの使用期間を延ばすことができる。

また、石英フィルタ３０ｂをフィルタ加熱装置４８によって加熱するので、多環芳香族炭化水素などの可燃性微粒子を蒸発させてエンジンに吸入し、燃焼させることができ、石英フィルタ３０ｂの使用期間を延長することができる。

（第４実施形態）
以下、本発明の第４実施形態に係るエンジンの吸気浄化装置について図９に基づいて説明する。

この実施形態の吸気浄化装置は、高性能濾過装置３によってエンジン１に吸入される空気だけではなく、車両のキャビン内の空気を浄化することをも可能としたものである。

図９Ａは、エンジン１に供給する空気を高性能濾過装置３によって浄化する場合の構成を示す。高性能濾過装置３は、前記第１実施形態と同じように、高性能フィルタ３ｂは、機能の異なる３つのフィルタを直列状に配置したもので、鉛・ニッケル・クロムなどの微粒子金属成分を捕集するＵＬＰＡフィルタ３４、亜酸化窒素を捕集する活性炭フィルタ３５、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）を捕集するイオン交換樹脂３６から構成されている。吸気が高性能フィルタ３ｂを通過することによって、空気中に含まれる微粒子金属成分や亜酸化窒素、ＰＡＨが捕集される。高性能フィルタ３ｂは前記３つに限定されるものではなく、捕集したい物質に合わせて選択するとよい。

濾過装置ケース３ａの上流部には濾過装置入口３ｂが設けられており、吸気は濾過装置入口３ｂから高性能濾過装置３に入り、高性能フィルタ３ｃを通過し、高性能濾過装置の下流側に設けられている濾過装置出口３ｄへと向かう。濾過装置出口３ｄには、濾過装置吸気通路２ａが接続されている。

高性能濾過装置３と吸気管２の間には、吸気通路切換装置６が設けられている。

吸気通路切換装置６によって、吸気管２に高性能濾過装置３またはエアクリーナ４のどちらを連通させるかを切り換える。また、吸気切換装置６は車両のキャビン７０に対して高性能濾過装置３を接続してキャビン内の空気を浄化したり、あるいはエアクリーナ４とキャビン７０と高性能濾過装置３とを直列に吸気管２と接続したりする。

すなわち、吸気通路切換装置６は、エンジン１に供給する空気を高性能濾過装置３によって浄化する場合は図９Ａに示すように吸気管２と高性能濾過装置３を連通させる。また、エンジン１に供給する空気をエアクリーナ４によって浄化しつつ、キャビン７０の空気を高性能濾過装置３によって浄化する場合は、図９Ｂに示すように吸気管２とエアクリーナ４を連通させ、また高性能濾過装置３とキャビン７０とを連通する。

このため、吸気通路切換装置６は、第一通路４０と、第二通路４１との二つの独立した通路を有す。

図９Ａにおいては、第一通路４０は濾過装置吸気通路２ａと吸気管２とを接続している。したがって、濾過装置入口３ｂから吸入された空気は、第一通路４０を通って、エンジン１へと供給される。

これに対して第二通路４１は、エアクリーナ４と空気ポンプ５とを接続する。空気はエアクリーナ入口４ｃから吸入され、エアクリーナエレメント４ｂを通過し、エアクリーナ出口４ｄへと向かう。エアクリーナ出口４ｄには、エアクリーナ吸気通路２ｂが接続されている。エアクリーナ吸気通路２ｂは、第二通路４１と接続され、第二通路４１には、空気ポンプ吸気通路２ｃが接続され、空気ポンプ吸気通路２ｃの下流には、エンジンまたは電気で駆動される空気ポンプ５が連設されている。空気ポンプ出口５ａはキャビン７０に連通されている。したがって、空気ポンプ５によってエアクリーナ入口４ｃから吸入された空気はエアクリーナ４にて浄化され、第二通路４１を通ってキャビン７０に供給される。さらに、キャビン７０内の空気は濾過装置入口３ｂから高性能濾過装置３へと吸入され、さらに浄化されてエンジン１に供給される。

場合によっては、空気ポンプ出口５ａを大気に開放し、空気ポンプ５で駆動されるエアクリーナ４によって大気を常時浄化しつつ、高性能濾過装置３によってエンジン１に供給する空気を浄化することもできる。

図９Ｂは、エンジン１に供給する空気をエアクリーナ４によって浄化し、同時に必要に応じてキャビン内の空気を高性能濾過装置３により浄化する場合の構成を示す。

吸気通路切換装置６は、第一通路４０が空気ポンプ吸気通路２ｃと濾過装置吸気通路２ａとを、また第二通路４１が吸気管２とエアクリーナ吸気通路２ｂとをそれぞれ接続する。

したがって、エンジン１に供給される空気はエアクリーナ入口４ｃから吸入され、エアクリーナ４によって浄化された後、第二通路４１を通ってエンジン１へと達する。一方、高性能濾過装置３は空気ポンプ５によって駆動され、キャビン７０内の空気はフィルタ入口３ｂから高性能濾過装置３に吸入されて浄化され、再びキャビン７０に戻される。

場合によっては、空気ポンプ出口５ａを大気に開放し、空気ポンプ５で駆動される高性能濾過装置３によって大気を常時浄化しつつ、エアクリーナ４によってエンジン１に供給する空気を浄化することもできる。

このようにして本実施形態での吸気浄化装置によれば、前記第１の実施形態の効果に加えて、エンジン１に吸入される吸気をエアクリーナ４または高性能濾過装置３により選択的に浄化しつつ、必要に応じて、車両のキャビン内の空気の浄化についても行うことができるという効果がある。

吸気の浄化に高性能濾過装置３とエアクリーナ４のどちらの装置を使用するかは、エンジンの出力や高性能フィルタ３ｃの劣化状態によって決める。また、車両走行環境が劣悪などの場合には、エンジン性能を抑えて大気の浄化を優先し、高性能濾過装置３を使用する設定も可能である。

また、エンジンの吸気浄化に使用していない浄化装置を空気ポンプで駆動しているので、高エンジン出力時のような通気抵抗が大きい浄化装置を使用できない際にも、高性能濾過装置３で大気またはキャビンを浄化し続けることができる。

本発明の第１実施形態におけるエンジンの吸気浄化装置の構成を示す概略構成図である。 高性能フィルタの使用領域マップである。 吸気に含まれる粒子数を示すグラフである。 本発明の第２実施形態におけるエンジンの吸気浄化装置の構成を示す概略構成図である。 コントローラによる制御の流れ図である。 高性能フィルタの使用領域マップである。 高性能フィルタの経時劣化によるフィルタ前後圧力差の変化を示すグラフである。 フィルタ劣化状態を考慮して補正した、高性能フィルタの使用領域マップである。 スロットル開度の補正を示すグラフである。 本発明の第３実施形態におけるエンジンの吸気浄化装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第４実施形態におけるエンジンの吸気浄化装置の構成を示す概略構成図である。 同じくその作動を切り換えた状態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気管
３ 高性能濾過装置
３ｃ 高性能フィルタ
４ エアクリーナ
８ アクセルセンサ
３０ 円筒型高性能濾過装置
３０ｂ 石英フィルタ
３２ 吸気通路切換弁
３３ バイパス通路
３７ 温湿度計
３８ 粒子数検出器
３９ コントローラ
４２ スロットルバルブ
６０ 圧力センサ
７０ キャビン

Claims (27)

1. エンジンを搭載する車両において、
   エンジンに吸入される吸気を濾過する、吸気系に備えられて通気抵抗の異なる複数の濾過装置と、
   エンジンの運転状態によって前記濾過装置を切り換える手段と、を設け、
   前記エンジンの高出力時には相対的に通気抵抗の小さい濾過装置を使用し、
   前記エンジンの低出力時には相対的に通気抵抗の大きい濾過装置を使用するよう前記切り換え手段を切り換える
   ことを特徴とするエンジンの吸気浄化装置。
2. 前記通気抵抗の小さい濾過装置は、エンジンの高出力時に、エンジンの運転性能に必要な吸気量を透過することができる濾過装置である
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気浄化装置。
3. 前記濾過性能の異なる複数の濾過装置は、捕集対象物質が異なる複数の濾過装置であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気浄化装置。
4. 前記相対的に通気抵抗の小さい濾過装置の捕集対象物質はひとつは大気中に含まれるゴミや塵であって、
   前記相対的に通気抵抗の大きい濾過装置の捕集対象物質は前記ゴミや塵を捕集する濾過装置では捕集することのできないガス状物質や数十から数ナノメートルの微粒子などの大気中物質である
   ことを特徴とする請求項３に記載のエンジンの吸気浄化装置。
5. 前記大気中物質は鉛、ニッケル、クロムなどの微粒子金属成分であることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの吸気浄化装置。
6. 前記大気中物質は亜酸化窒素であることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの吸気浄化装置。
7. 前記大気中物質は多環芳香族炭化水素であることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの吸気浄化装置。
8. 前記濾過装置を切り換える手段は、前記複数の濾過装置にそれぞれ接続されている通路をエンジンの吸気通路に対して選択的に連通させる通路切り換え弁を備えることを特徴とする請求項１に記載の吸気浄化装置。
9. 前記濾過装置を切り換える手段は、エンジンの運転状態である負荷と回転数に基づいて前記濾過装置の切り換えを設定したマップを備え、
   前記エンジンの負荷と回転数から前記マップにしたがって前記濾過装置を使い分けることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気浄化装置。
10. 前記濾過装置を切り換える手段は、前記濾過装置のうち相対的に通気抵抗の大きい方の濾過装置の劣化状態を検出し、
    前記切り換え手段の切り換え特性を補正することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気浄化装置。
11. 前記濾過装置の劣化状態は、当該濾過装置前後の吸気圧力差によって検出され、前記吸気圧力差が大きいほど前記濾過装置が劣化していると判断されることを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
12. 前記濾過装置の劣化状態は、同一運転状態での吸気管内圧力によって検出され、当該吸気管内圧力が小さいほど前記濾過装置が劣化していると判断されることを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
13. 前記濾過装置の劣化状態は、同一運転状態に対するスロットル開度によって検出され、当該スロットル開度が大きいほど前記濾過装置が劣化していると判断されることを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
14. 前記検出された濾過装置の劣化状態は、大気の温度や湿度、および濾過装置の温度に基づいて補正されることを特徴とする請求項１１ないし１３に記載のエンジンの吸気浄化装置。
15. 前記濾過装置を切り換える手段は、エンジンの運転状態である負荷と回転数に基づいて前記濾過装置の切り換えを設定したマップを備え、
    当該マップは前記濾過装置のうち相対的に通気抵抗の大きい方の濾過装置の劣化状態によって補正されることを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
16. 前記相対的に通気抵抗の大きい方の濾過装置の劣化状態が上限を超える場合は、エンジンの出力に関係なく相対的に通気抵抗の小さい方の濾過装置を使用するよう前記切り換え特性を補正することを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
17. 前記相対的に通気抵抗の大きい方の濾過装置の劣化状態によって、スロットル開度を補正することを特徴とする請求項１０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
18. 前記切り換え手段は前記スロットル開度が上限を超えた場合は、前記相対的に通気抵抗の大きい濾過装置の作動領域を狭めることを特徴とする請求項１７に記載のエンジンの吸気浄化装置。
19. 前記スロットル開度が上限を超えた場合は、前記相対的に通気抵抗の大きい濾過装置が要交換であることを運転者に知らせることを特徴とする請求項１７に記載のエンジンの吸気浄化装置。
20. 前記車両の走行環境の大気の汚染状態を検出し、前記切り換え手段の切り換え特性を補正することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気浄化装置。
21. 前記車両の走行環境の大気の汚染状態は、前記車両に搭載された粒子数検出器によって検出され、大気中の粒子数が多いほど大気が汚れていると判断されることを特徴とする請求項２０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
22. 前記車両の走行環境の大気の汚染状態は、ナビゲーションシステムに予め登録されている情報によって検出されることを特徴とする請求項２０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
23. 前記車両の走行環境の大気の汚染程度は、車両外から提供される情報によって検出されることを特徴とする請求項２０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
24. 前記車両の走行環境の大気の汚染程度が許容値を超えている場合は、エンジンの出力に関係なく相対的に通気抵抗の大きい方の濾過装置を使用するよう前記切り換え特性を補正することを特徴とする請求項２０に記載のエンジンの吸気浄化装置。
25. 前記濾過装置を加熱する手段を備え、前記濾過装置を加熱して捕集物質を蒸発させて離脱させ、エンジンに吸入させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気浄化装置。
26. 前記濾過装置の下流にキャビンが設けられ、当該キャビンの下流に前記エンジンが設けられ、前記エンジンによって吸入された空気は前記濾過装置で濾過された後、前記キャビンを通って前記エンジンに供給されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気浄化装置。
27. エンジンを搭載する車両において、吸気系に濾過性能の異なる複数の濾過装置を設け、車両運転状態によってエンジンに吸入される吸気を濾過する前記濾過装置を切り換えることを特徴とするエンジンの吸気浄化方法。