JP2010112205A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コロナ放電装置を用いてＰＭ浄化を行う際に、エンジンから発生されるＰＭが高密度であってもコロナ放電が不具合を生じないとともに、コロナ放電装置によって高い酸化機能を有する物質を生成できる特性も利用した内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置１の排気管４に上流側から順にＤＰＦ５、コロナ放電装置６（放電部）を備え、さらに放電部６の下流からＤＰＦ５の上流へ排気を還流する還流管７を備える。放電部６内では電極６１に電圧が供給されることでコロナ放電が生じ、それにより高い酸化機能を有する酸素ラジカルが生成される。放電部６によって生成された酸素ラジカルは、ＤＰＦ５をすり抜けたＰＭを放電部６内で酸化するとともに、還流管７によって還流されてＤＰＦ５に堆積したＰＭを酸化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンにおいては、エンジンから排出される黒煙などのいわゆる粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の除去が重要である。この目的のために排気管の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が装備されることが多い。

ＤＰＦがＰＭを捕集することにより排気中のＰＭは大部分が除去される。しかしＤＰＦ内にＰＭが堆積し続ける一方では、ＤＰＦは目詰まりを起こしてしまうので、ＤＰＦに堆積されたＰＭを除去してＤＰＦを再生することが必要である。ＤＰＦ再生の方法としてはポスト噴射によってＤＰＦに未燃燃料を供給して触媒の作用で昇温する手法などが既知である。

ＰＭを浄化する方法は各種提案されている。例えば下記特許文献１では、コロナ放電を用いてＰＭを浄化する方法が開示されている。同文献では、ＤＰＦの上流側にコロナ放電を行う装置を配置して、同装置によるコロナ放電でＰＭを帯電して下流の集塵器に捕集した後にＰＭを燃焼して浄化している。

特開２００３−２６９１３４号公報

しかし特許文献１の手法ではコロナ放電を行う装置がＤＰＦの上流側にあるので、ＰＭ密度が高い雰囲気中にコロナ放電装置が曝されることとなる。したがって電極にＰＭが堆積し、電極に堆積したＰＭを通じて電流がリークすることによって、コロナ放電が行えない場合が頻繁に発生するとの知見を本発明者は得ている。またＰＭ密度が高い雰囲気中にコロナ放電装置があるので、電極から空中のＰＭを伝ってアーク放電が発生してしまうことによりコロナ放電が発生しない場合もあるとの知見も得ている。こうした不具合は従来技術では解決されていない。

さらにコロナ放電を用いれば、空気中の酸素（酸素分子）を酸化力の強いＯラジカル（酸素ラジカル、酸素原子）に分解することができる。したがって特許文献１のようにコロナ放電をＰＭの帯電に用いるのではなく、コロナ放電によって生成されたＯラジカルでＰＭを直接酸化して浄化することが考えられるが、こうした手法は従来文献では提案されていない。

そこで本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、コロナ放電装置を用いてＰＭの浄化を行う際に、エンジンから発生されるＰＭが高密度であってもコロナ放電が不具合を生じないとともに、コロナ放電装置によって高い酸化機能を有する物質を生成できる特性も利用した内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に配置されて粒子状物質を捕集するフィルタと、排気通路における前記フィルタの下流に配置されて、排気が流通する経路上に配置された電極を備えて、その電極に電力が供給されることにより排気中にコロナ放電を発生させて、粒子状物質を酸化する機能を有する酸化機能物質を生成する放電部と、その放電部の下流において前記排気通路から分岐し前記フィルタの上流において前記排気通路と合流するように形成されて、前記酸化機能物質を還流させる還流通路と、を備えたことを特徴とする。

これにより本発明の内燃機関の排気浄化装置では、フィルタの下流でコロナ放電を発生させて酸化機能を有する酸化機能物質を生成するので、放電部の電極近傍においてフィルタをすり抜けた粒子状物質を酸化して浄化できる。さらに放電部でのコロナ放電によって生成された酸化機能物質を還流通路を通じてフィルタへ還流するので、フィルタに堆積した粒子状物質をフィルタにおいて酸化して浄化することができる。以上の酸化反応によって排気中の粒子状物質を浄化できる高機能の排気浄化装置が実現できる。さらに本発明では放電部がフィルタの下流に配置されているので、放電部内が粒子状物質の密度が高い雰囲気にはならない。したがって放電部内のコロナ放電が粒子状物質の存在によって不具合を生じる可能性が回避される。

また前記還流通路に配置されて、前記還流通路を還流する排気を圧縮する圧縮器を備えたとしてもよい。

これにより還流通路に配置された圧縮器によって排気を圧縮して還流するので、より多くの酸化機能物質がフィルタへ還流できる。よってフィルタに堆積した粒子状物質をより多く還流された酸化機能物質によって酸化できるので粒子状物質の浄化機能が向上する。

また前記排気通路において前記還流通路が合流する位置よりも上流に、排気により回動されるタービンを備え、排気により回動された前記タービンの回動力が伝達されて前記圧縮器を駆動するとしてもよい。

これにより排気によってタービンを回動させて、その駆動力を伝達して圧縮器を機能させるので、排気を利用して効率的に圧縮器を駆動することができる。

また前記還流通路の外周壁部は複数の壁部が径方向に間隔を有して配置された多重壁構造とされ、径方向に隣り合う少なくとも１組の前記壁部の間は空気層とされたとしてもよい。

これにより還流通路の外周壁部が多重壁構造であり、多重壁の間に空気層が形成される構造なので、空気層の有する高い断熱性能を利用して還流する排気を高温に維持することができる。したがって排気とともに還流される酸化機能物質も高温で高い酸化機能を有したままでフィルタに還流される。よって高い粒子状物質の浄化機能が実現できる。

また前記タービンよりも上流の位置で前記排気通路から分岐し前記タービンよりも下流の位置で前記排気通路に合流するように形成されたバイパス通路と、そのバイパス通路に配置された弁であるバイパス弁と、前記内燃機関が低回転数あるいは低負荷の運転時であるほど前記バイパス弁の開度を上げるように前記バイパス弁の開度を調節する第１調節部と、を備えたとしてもよい。

これにより排気通路においてタービンを回避するように形成されたバイパス通路を形成して、そのバイパス通路の弁を、内燃機関が低回転数、低負荷の運転であるほど開度を上げるように制御するので、低回転数、低負荷であるほどタービンを回避して排気を流通する。したがって低回転数、低負荷の場合には、内燃機関から排出される粒子状物質が少ないので、タービンによって生じる圧力損失を回避することを優先することができる排気浄化装置が実現できる。

また前記還流通路に配置された弁である還流弁と、前記内燃機関が低回転数あるいは低負荷の運転時であるほど前記還流弁の開度を下げるように前記還流弁の開度を調節する第２調節部と、を備えたとしてもよい。

これにより内燃機関が低回転数あるいは低負荷の運転時であるほど還流通路の弁の開度を下げるように調節するので、低回転数、低負荷の場合には、内燃機関から排出される粒子状物質が少ないので、酸化機能物質の還流も少なくすると判断する合理的な排気浄化装置が実現できる。

また前記酸化機能物質は酸素ラジカルであるとしてもよい。

これにより放電部におけるコロナ放電によって高い酸化機能を有する酸素ラジカルを生成して、放電部の電極近傍においてフィルタをすり抜けた粒子状物質を酸化して浄化するとともに、酸化ラジカルを還流通路を通じてフィルタへ還流してフィルタに堆積した粒子状物質を酸化して浄化することができる高機能の排気浄化装置が実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置１の実施例１における装置構成の概略図である。排気浄化装置１はディーゼルエンジン２（以下では単にエンジンと称する）に対して構成されている。このエンジン２及び排気浄化装置１は自動車に搭載されているとすればよい。

エンジン２は吸気管３、排気管４を備える。吸気管３からエンジン２に空気が供給され、エンジン２から排気管４に排気が排出される。エンジン２はインジェクタ２１を備え、インジェクタ２１から筒内に燃料が噴射される。

排気浄化装置１は電子制御装置８（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を備える。ＥＣＵ８はコンピュータの構造を有するとし、各種演算をおこなうＣＰＵやその作業領域のＲＡＭ、各種情報の記憶を行う不揮発性のメモリ８１などを備えるとする。図１の点線で示されているように、ＥＣＵ８からインジェクタ２１に燃料噴射量の指令値が送られる。

排気管４の途中にはＤＰＦ５が配置されている。ＤＰＦ５は例えば代表的な構造として、いわゆるハニカム構造において入口側と出口側とを交互に目詰めした構造とすればよい。エンジン２の運転中に排出される排気にはＰＭ（粒子状物質）が含まれ、ＰＭがＤＰＦ５の上記構造のフィルタ壁を排気が通過するときに、フィルタ壁の内部あるいは表面に捕集される。

ＤＰＦ５の下流側にコロナ放電装置６（放電部）が備えられている。図１のとおり放電部６は内部が空洞の円筒状とされて、電極６１が配置されている。一方放電部６の外周面６２は接地極とされている。電極６１の形状は図１のとおり放電部６の中心軸上付近に先端が突出した形状とすればよい。電極６１に電源装置６３から電圧を供給することにより、放電部６内部の電極６１の近傍にコロナ放電が発生する。

一般にコロナ放電により発生する高エネルギーのプラズマ状態では分子がイオンやラジカルへと分離されることが知られているが、本発明の電極６１の近傍で発生するコロナ放電では、排気中の酸素分子からＯラジカル（酸素ラジカル、酸素原子）が生成される。この物質は不安定で他の物質と結合しやすいために強い酸化機能を有する。この酸化機能によってＯラジカルがＰＭを酸化することでＰＭの浄化が実現する。詳細は後述する。

電源装置６３が電極６１に供給する電圧はコロナ放電が発生可能な高電圧とする。なお、その電圧は直流でも交流でもよい。交流の場合は高周波数とすればコロナ放電の発生に適している。またパルス電圧でもコロナ放電に適する。電源装置６３から電極６１への電圧の供給はエンジン２が運転している間常時おこない、運転が終了すればオフとなるようにＥＣＵ８が制御すればよい。

また放電部６の下流側で排気管４から分岐してＤＰＦ５の上流側で排気管４と合流するように形成されて排気を還流する還流管７が装備されている。さらに図１に示された位置に排気管４にはタービン４１が、還流管７にはコンプレッサ７１が装備されている。排気管４を流れる排気によってタービン４１が回転し、この回転がコンプレッサ７１に伝達されてコンプレッサ７１が機能する。コンプレッサ７１が機能することにより排気が圧縮されつつ還流管７を通じて放電部６の下流からＤＰＦ５の上流へ還流される。圧縮されることにより、還流管７を通じてより多くの排気が還流されることとなる。

還流管７の外周壁部７０は二重壁構造とされており、二重壁の間は空気層７２となっている。二重壁構造およびその間の空気層７２は断熱機能を有する。この断熱機能により還流管７を通じて還流される排気の温度が低下することが抑制される。

図２には上記構成でのＰＭ浄化のメカニズムが示されている。放電部６においてコロナ放電が発生することにより、酸素分子は高い酸化機能を有するＯラジカル（酸素ラジカル）へと分解される。エンジン２から排出されたＰＭは大部分はＤＰＦ５に堆積されるが、一部がＤＰＦ５のフィルタ壁をすり抜ける。本発明では、上記のとおり生成されたＯラジカルが、ＤＰＦ５をすり抜けた主成分が炭素のＰＭを酸化して二酸化炭素を生成する。気体の二酸化炭素は排気管４を通じて車外へ排出される。さらに放電部６で生成されたＯラジカルは還流管７を通じてＤＰＦ５へと還流される。そしてＤＰＦ５に堆積されたＰＭを酸化する。ＰＭの酸化により生成された二酸化炭素はＤＰＦ５のフィルタ壁を離れて排気管４から車外へ排出される。

以上述べたとおり、放電部６によって生成されたＯラジカルは、ＤＰＦ５をすり抜けたＰＭを放電部６内あるいは排気管４内で酸化するとともに、還流管７によって還流されてＤＰＦ５に堆積したＰＭを酸化させる２つのＰＭ酸化処理を行う。これによりＰＭは浄化され、ＤＰＦ５は再生される。なお還流管７を通じたＯラジカルの還流は常時行われるので、ＤＰＦ５の上記再生も常時行われる連続再生である。またＯラジカルは温度が低下すると酸素分子へ戻る可能性が高まるが、還流管７における上述の断熱機能によりこの可能性が抑制される。したがって還流管７の断熱機能によりＤＰＦ５の連続再生機能が高く維持される。

図３、４には上記実施例１の２つの変形例が示されている。図３では還流管７の外周壁部７０が三重構造となっている。そして三重壁の間の２層のうちで内側の層は上述と同じ空気層７２であり、外側の層は冷却水が流される冷却水層７３となっている。冷却水層７３の存在によって還流される排気の保温効果がさらに向上する。これにより還流されるＯラジカルが酸素分子に戻ってしまってＤＰＦ５の連続再生機能が低減することがさらに抑制される。冷却水はエンジン２の冷却水を誘導してくればよい。

図４ではコンプレッサ７１を、モータ７６で駆動される電動コンプレッサ７５に置き換えている。この構成ではタービン４１を装備する必要がない。したがってタービンの影響によって圧損が発生してエンジン出力を低下させることが回避できる。モータ７６の回転速度はＥＣＵ８によって制御するとし、例えば図４下部に示されているように、エンジン２からの排出ＰＭ量に応じて調節すればよい。

図４下部の例では排出ＰＭ量が大きいほどモータ回転速度を大きくしている。より詳しくは、ある排出ＰＭ量まではモータ回転速度をゼロとして、排出ＰＭ量が微小な場合にモータ回転を省略して低コストとしている。その後排出ＰＭ量が増加するにつれてモータ回転速度を直線的に増加させることにより、排出ＰＭ量が多いほどより多くのＯラジカルを還流させてＰＭを浄化している。さらに、ある排出ＰＭ量からはモータ回転速度を最大値とすることで、不必要に高いモータ回転速度を回避している。なお排出ＰＭ量は下記実施例２で説明する方法で推定すればよい。

図５、６、７には本発明の実施例２が示されている。以下で実施例１と異なる部分のみ説明する。

図５は実施例２の装置構成図である。同図のとおり、排気管４においてタービン４１の上流側の位置から分岐して下流側の位置で合流することによりタービン４１を回避するバイパス管４２が形成されている。そしてバイパス管４２にはバイパススロットル４３が装備されている。また還流管７には還流スロットル７４が装備されている。バイパススロットル４３、還流スロットル７４の開度はＥＣＵ８によって制御される。

こうした構成における処理手順が図６に示されている。図６の処理手順はＥＣＵ８によって自動的に、所定時間周期で、あるいは所定クランク角ごとに実行されるとすればよい。そのために図６の処理手順をプログラム化してメモリ８１に記憶しておけばよい。

図６の処理ではまず手順Ｓ１０でエンジン２の負荷、回転数の情報を取得する。エンジン回転数はエンジン回転数センサ２２によって計測すればよい。また負荷の情報は、例えばＥＣＵ８による燃料噴射量の指令値とすればよい。

次にＳ２０でエンジン２から単位時間当たりに排出されるＰＭ量（排出ＰＭ量）を算出する。この算出のために、予めエンジン２の負荷と回転数とを座標軸とする平面を複数の領域に分割しておき、個々の領域に、エンジン２から単位時間当たりに排出されるＰＭ量を書き込んだマップを求めておいて、メモリ８１に記憶しておく。そしてＳ２０では、そのマップ上でＳ１０で求めたエンジン２の負荷と回転数が属する領域における排出ＰＭ量の数値を取得すればよい。

次にＳ３０では、Ｓ２０で算出した排出ＰＭ量の情報を用いてスロットル制御を実行する。その詳細は図７に示されている。アイドル運転や低回転、低負荷の運転などの場合、エンジンから排出されるＰＭ量が小さい。したがってこの場合にタービンを回してＯラジカルを還流させたとすると、それによるＰＭ浄化のプラス面はそれほど大きくなく、逆に圧損発生のマイナス面の方が大きいと考えられる。図７ではこの考え方に従い、排出ＰＭ量が所定のＭ１よりも小さい領域ではバイパススロットル４３を全開、還流スロットル７４を全閉としている。これによりエンジン２から排出された微量のＰＭはＤＰＦ５で捕集し、ＤＰＦ５をすり抜けたＰＭを放電部６で浄化することのみが行われる。

逆に高回転、高負荷の運転条件ではエンジン２からの排出ＰＭ量が多い。そこでこの場合は、圧損の発生によるマイナス面を考慮しても、Ｏラジカルを還流してＰＭを酸化することが必要だと考えられる。図７ではこの考え方に従い排出ＰＭ量が所定のＭ２よりも大きい領域ではバイパススロットル４３を全閉、還流スロットル７４を全開としている。これにより排気はタービン４１の方を通り、これによりタービン４１が回転され、その駆動力がコンプレッサ７１が駆動されて排気及びＯラジカルが還流管７を通じて圧縮、還流されてＤＰＦ５に堆積されたＰＭが酸化される。

排出ＰＭ量がＭ１からＭ２の領域では上記開度を直線的に補間している。したがってバイパススロットル４３、還流スロットル７４の開度を変化させる場合も連続的に変化させるので、両スロットルの開度変化に起因するトルクショックが抑制できる。なお所定値Ｍ１、Ｍ２は予め適切に定めておけばよい。以上のように実施例２では、タービン４１を回してＯラジカルを還流させてＰＭを浄化することと、タービン４１の作動による圧損を回避することとのうちでどちらを優先するかが、排出ＰＭ量に応じて調節できる。

なお上記実施例では電極６１の形状などを含む放電部６の構造は図１に示されたものには限定されず、適切にコロナ放電が実現できる構造であればよい。また上ではエンジン２をディーゼルエンジンとしたが、これをガソリン直噴エンジンとしてもよい。ガソリン直噴エンジンからは少量あるいは小さな粒子ながらもＰＭが排出されることが知られているが、上記本発明を用いれば効果的にガソリン直噴エンジンからのＰＭも浄化できる。なおガソリン直噴エンジンの場合はＤＰＦ５の装備を省略してもよい。

本発明の実施例１における内燃機関の排気浄化装置の概略構成図。 ＰＭ浄化のメカニズムを示す図。 変形例１を示す図。 変形例２を示す図。 実施例２における内燃機関の排気浄化装置の概略構成図。 スロットル制御の処理手順を示すフローチャート。 バイパススロットル開度と還流スロットル開度の調節例を示す図。

符号の説明

１ 排気浄化装置
２ ディーゼルエンジン（エンジン、内燃機関）
３ 吸気管（吸気通路）
４ 排気管（排気通路）
５ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ、フィルタ）
６ コロナ放電装置（放電部）
７ 還流管（還流通路）
８ ＥＣＵ（第１調節部、第２調節部）
４１ タービン
４２ バイパス管（バイパス通路）
４３ バイパススロットル（バイパス弁）
７０ 外周壁部（壁部）
７１ コンプレッサ（圧縮器）
７４ 還流スロットル（還流弁）

Claims (7)

1. 排気通路に配置されて粒子状物質を捕集するフィルタと、
   排気通路における前記フィルタの下流に配置されて、排気が流通する経路上に配置された電極を備え、その電極に電力が供給されることにより排気中にコロナ放電を発生させて、粒子状物質を酸化する機能を有する酸化機能物質を生成する放電部と、
   その放電部の下流において前記排気通路から分岐し前記フィルタの上流において前記排気通路と合流するように形成されて、前記酸化機能物質を還流させる還流通路と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記還流通路に配置されて、前記還流通路を還流する排気を圧縮する圧縮器を備えた請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気通路において前記還流通路が合流する位置よりも上流に、排気により回動されるタービンを備え、
   排気により回動された前記タービンの回動力が伝達されて前記圧縮器を駆動する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記還流通路の外周壁部は複数の壁部が径方向に間隔を有して配置された多重壁構造とされ、
   径方向に隣り合う少なくとも１組の前記壁部の間は空気層とされた請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記タービンよりも上流の位置で前記排気通路から分岐し前記タービンよりも下流の位置で前記排気通路に合流するように形成されたバイパス通路と、
   そのバイパス通路に配置された弁であるバイパス弁と、
   前記内燃機関が低回転数あるいは低負荷の運転時であるほど前記バイパス弁の開度を上げるように前記バイパス弁の開度を調節する第１調節部と、
   を備えた請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記還流通路に配置された弁である還流弁と、
   前記内燃機関が低回転数あるいは低負荷の運転時であるほど前記還流弁の開度を下げるように前記還流弁の開度を調節する第２調節部と、
   を備えた請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記酸化機能物質は酸素ラジカルである請求項１乃至６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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