JP2010144524A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、活性酸素を効率良く有効に利用して、優れた排気浄化性能を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、ディーゼルエンジン1の排気通路に配置され、排気ガスを浄化するDPF15と、DPF15にオゾンを供給する活性酸素供給装置と、DPF15の上流側の排気ガスの温度を調整する温度調整装置5と、DPF15にオゾンが供給されるときに、温度調整装置5により、排気ガスの温度を制御する制御手段と、を備える。温度調整装置5は、冷却水6が循環可能なウォータージャケット6と、ヒーター7とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、ディーゼルエンジン1の排気通路に配置され、排気ガスを浄化するDPF15と、DPF15にオゾンを供給する活性酸素供給装置と、DPF15の上流側の排気ガスの温度を調整する温度調整装置5と、DPF15にオゾンが供給されるときに、温度調整装置5により、排気ガスの温度を制御する制御手段と、を備える。温度調整装置5は、冷却水6が循環可能なウォータージャケット6と、ヒーター7とを備える。
【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。
内燃機関の排気通路内にオゾン等の活性酸素を供給することにより、有害成分の浄化率の向上を図る技術が知られている。例えば、特開2008−144645号公報には、内燃機関と電動機とを組み合わせて走行するハイブリッド車両において、内燃機関の冷間始動時の未燃成分を浄化するために活性酸素を利用する装置が開示されている。この装置は、排気浄化触媒を加熱するヒータを備えている。そして、この装置では、排気浄化触媒の温度が活性温度より低い第1の所定温度まで上昇する前にエンジン停止条件が成立したときには、ヒータを作動させ、排気浄化触媒の温度を上記第1の所定温度より高い第2の所定温度まで上昇させるようにしている。
上記従来の技術では、冷間始動時に多く発生するHC等の未燃成分を浄化するために活性酸素を利用しているが、未燃成分以外を浄化する場合にも活性酸素は有効である。例えば、粒子状物質(Particulate Matter)を捕集するフィルターに活性酸素を供給することにより、蓄積した粒子状物質を酸化燃焼させて除去することができる。
しかしながら、活性酸素は、高温になると、自己分解し易くなる。このため、排気ガスの温度が高い場合(例えば300℃以上程度)には、供給した活性酸素の多くが熱によって分解してしまい、効果が得られなくなってしまう。また、活性酸素を生成するためには電力が必要であるので、活性酸素の消費量が多いと、燃費が悪化するという問題がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、活性酸素を効率良く有効に利用して、優れた排気浄化性能を得ることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
第1の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化する排気浄化器と、
前記排気浄化器に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
前記排気浄化器の上流側の排気ガスの温度を調整する温度調整装置と、
前記排気浄化器に活性酸素が供給されるときに、前記温度調整装置により、排気ガスの温度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化する排気浄化器と、
前記排気浄化器に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
前記排気浄化器の上流側の排気ガスの温度を調整する温度調整装置と、
前記排気浄化器に活性酸素が供給されるときに、前記温度調整装置により、排気ガスの温度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第2の発明は、第1の発明において、
前記温度調整装置は、排気ガスを加熱する加熱装置を備え、
前記制御手段は、排気ガスの温度が目標温度より低い場合に、前記加熱装置を作動させることを特徴とする。
前記温度調整装置は、排気ガスを加熱する加熱装置を備え、
前記制御手段は、排気ガスの温度が目標温度より低い場合に、前記加熱装置を作動させることを特徴とする。
また、第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記温度調整装置は、排気ガスを冷却する冷却装置を備え、
前記制御手段は、排気ガスの温度が目標温度より高い場合に、前記冷却装置を作動させることを特徴とする。
前記温度調整装置は、排気ガスを冷却する冷却装置を備え、
前記制御手段は、排気ガスの温度が目標温度より高い場合に、前記冷却装置を作動させることを特徴とする。
また、第4の発明は、第3の発明において、
前記冷却装置は、前記内燃機関の冷却水を用いて排気ガスを冷却することを特徴とする。
前記冷却装置は、前記内燃機関の冷却水を用いて排気ガスを冷却することを特徴とする。
また、第5の発明は、第1乃至第4の発明の何れかにおいて、
前記活性酸素供給装置により供給された活性酸素を含んだ排気ガスの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度が目標温度に近づくように、前記温度調整装置の作動を制御することを特徴とする。
前記活性酸素供給装置により供給された活性酸素を含んだ排気ガスの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度が目標温度に近づくように、前記温度調整装置の作動を制御することを特徴とする。
また、第6の発明は、第1乃至第5の発明の何れかにおいて、
前記活性酸素供給装置は、前記温度調整装置を通過した後の排気ガス中に活性酸素を供給することを特徴とする。
前記活性酸素供給装置は、前記温度調整装置を通過した後の排気ガス中に活性酸素を供給することを特徴とする。
第1の発明によれば、排気浄化器に活性酸素が供給されるときに、排気浄化器の上流側の排気ガスの温度を温度調整装置により制御することができる。このため、排気ガス温度が高すぎて活性酸素が熱により分解したり、排気ガス温度が低すぎて活性酸素と有害成分との反応性が低下したりすることを確実に回避することができる。それゆえ、少ない活性酸素使用量で、優れた浄化性能が得られる。よって、活性酸素の生成および供給に要する電力を確実に抑制することができ、燃費を更に改善することができる。
第2の発明によれば、排気ガスの温度が目標温度より低い場合に、温度調整装置が備える加熱装置を作動させることができる。このため、内燃機関から排出される排気ガスの温度が低すぎる場合においても、優れた浄化性能が得られる。
第3の発明によれば、排気ガスの温度が目標温度より高い場合に、温度調整装置が備える冷却装置を作動させることができる。このため、内燃機関から排出される排気ガスの温度が高すぎる場合においても、優れた浄化性能が得られる。
第4の発明によれば、温度調整装置が備える冷却装置は、内燃機関の冷却水を利用して排気ガスを冷却することができる。このため、冷却装置の構造を簡素化することができ、コスト低減および重量軽減が図れる。
第5の発明によれば、活性酸素供給装置により供給された活性酸素を含んだ排気ガスの温度を検出し、その検出された温度が目標温度に近づくように、温度調整装置の作動を制御することができる。これにより、排気浄化器に流入する、活性酸素を含んだ排気ガスの温度を、浄化効率が最良となるような最適な温度に制御することができる。それゆえ、より少ない活性酸素使用量で、特に優れた浄化性能が得られる。
第6の発明によれば、温度調整装置を通過した後の排気ガス中に活性酸素を供給することができる。内燃機関から排出される排気ガスの温度が高い場合であっても、温度調整装置を通過した後の排気ガスの温度は、活性酸素の分解を十分に抑制できるような適切な温度に調整されている。このため、温度調整装置を通過した後の排気ガスに活性酸素を供給することにより、排気浄化器に流入する前に活性酸素が熱によって分解することを確実に抑制することができる。よって、活性酸素をより有効に無駄なく利用することができる。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施形態のシステムは、ディーゼルエンジン1を備えている。ディーゼルエンジン1から排出された排気ガスは、排気管2を通り、酸化触媒3に流入する。酸化触媒3を通過した排気ガスは、排気管4に流入する。
図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施形態のシステムは、ディーゼルエンジン1を備えている。ディーゼルエンジン1から排出された排気ガスは、排気管2を通り、酸化触媒3に流入する。酸化触媒3を通過した排気ガスは、排気管4に流入する。
排気ガスの温度を調整するための温度調整装置5は、排気管4を取り囲むように配置されている。温度調整装置5は、エンジン冷却水が循環可能なウォータージャケット6と、ヒーター7とを備えている。
排気管4の下流側には、混合室8が設けられている。すなわち、温度調整装置5を通過した排気ガスは、混合室8に流入する。混合室8は、排気ガスとオゾン(O3)とを混合させるために設けられた空間である。混合室8内のガスの温度は、温度センサ9により検出することができる。
オゾンは、オゾン発生器10により生成される。オゾン発生器10は、高電圧を印加可能な放電管を備えており、取り入れた空気中の酸素から、オゾンを発生させる。発生したオゾンは、ポンプ12により圧送され、オゾン輸送管13を通って、混合室8内へ送られる。
混合室8の下流側には、排気ガス中の粒子状物質(Particulate Matter)17を捕集するDPF(Diesel Particulate Filter)15が設けられている。本実施形態のDPF15は、例えばコージェライト等の多孔質セラミックで構成されたハニカム構造体からなるウォールフロータイプのフィルター16を内蔵している。このフィルター16には、上流端が封止されたセルと下流端が封止されたセルとが交互に配列されている。混合室8からDPF15に流入した排気ガスは、まず、下流端が封止されたセルに流入する。そして、それらのセルの壁に形成された多数の微細孔を通過して、隣接したセル(つまり上流端が封止されたセル)に移動し、DPF15の下流へ出てゆく。排気ガスが各セルの壁を透過する際に、上記微細孔に粒子状物質(以下、「PM」と称する)17が捕集される。なお、DPF15のフィルター16には、触媒が担持されていてもよい。
本実施形態のシステムは、更に、ECU(Electronic Control Unit)19と、温度調整装置5より上流側の排気ガスの温度を検出する温度センサ20とを備えている。
温度調整装置5のウォータージャケット6には、エンジン冷却水を循環させるための入口側配管21および出口側配管22が接続されている。入口側配管21には、開閉弁23が設けられている。開閉弁23を開くと、ウォータージャケット6にエンジン冷却水が循環し、排気管4を流れる排気ガスを冷却することができる。
温度調整装置5のヒーター7には、ヒーター駆動回路24が接続されている。ヒーター駆動回路24によりヒーター7に通電すると、排気管4を流れる排気ガスを加熱することができる。
温度センサ9,20、オゾン発生器10、ポンプ12、開閉弁23、ヒーター駆動回路24は、ECU19に電気的に接続されている。ECU19には、更に、ディーゼルエンジン1を制御するための各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。
DPF15に蓄積したPM17の量が多くなると、DPF15の通気抵抗が増大し、ディーゼルエンジン1の背圧が上昇する。このため、ECU19は、例えば、DPF15の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ(図示せず)によってDPF15に蓄積したPM17の量を検出し、その蓄積量が所定の判定値を超えた場合には、蓄積したPM17を酸化(燃焼)させて除去する処理(以下、「DPF再生」とも呼ぶ)を行う。
従来、DPF再生を行う際には、DPF15の温度を例えば600℃以上の高温にすることにより、PM17を燃焼させて除去していた。DPF15の温度をこのような高温にするには、排気系燃料添加やポスト噴射などにより、排気ガス中に燃料を添加する必要がある。このため、燃費が悪化していた。
これに対し、本実施形態では、DPF再生を行う際、オゾン発生器10で発生させたオゾンをDPF15に供給し、オゾンによってPM17を酸化させることができる。オゾンは、強い酸化力を有している。このため、DPF15を高温にすることなく、PM17を確実に酸化させて除去することができる。よって、燃費の悪化を抑制することができる。
しかしながら、オゾンは、高温になると、自己分解し易くなる。このため、DPF15に流入する排気ガスの温度が高いと、供給したオゾンがPM17と反応する前に分解してしまい易い。そして、排気ガスの温度が300℃以上になると、PM17を酸化させる効果がほとんど得られなくなってしまう。
逆に、DPF15に流入する排気ガスの温度が低過ぎると、オゾンがPM17と反応しにくくなる。このため、DPF再生を完了するまでに必要なオゾンの量が多くなる。その結果、オゾン発生器10やポンプ12の消費電力が増大し、燃費を改善しにくくなる。
このようなことから、オゾンを用いてDPF再生を行う際には、オゾンによるPM酸化効率が最も高くなるような、最適な排気ガス温度が存在する。本発明者らの知見によれば、DPF15に流入する、オゾンを含んだ排気ガスの温度が200℃である場合に、最も高いPM酸化効率が得られる。
そこで、本実施形態では、DPF再生を行うとき、温度調整装置5によって排気ガスの温度を調整することにより、オゾンによるPM酸化効率を向上させることとした。具体的には、ECU19は、まず、DPF15に流入する、オゾンを含んだ排気ガスの温度を温度センサ9により検出する。そして、その検出された温度が200℃より高い場合には、開閉弁23を開いてエンジン冷却水をウォータージャケット6に循環させることにより、排気ガスを冷却する。一方、検出された温度が200℃より低い場合には、ヒーター7に通電することにより、排気ガスを加熱する。これにより、オゾンを含んだ排気ガスの温度を、最適温度である200℃の近傍に維持することができる。
また、本実施形態では、温度センサ20を設けたことにより、温度調整装置5の上流側の排気ガスの温度を検出することができる。このため、混合室8へ流入する排気ガスの温度を予測することができる。この予測に応じて温度調整装置5の作動を制御することにより、DPF15に流入するオゾンを含んだ排気ガスの温度をより高精度に制御することができる。
[実施の形態1における具体的処理]
図2は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU19が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、DPF再生が行われているときに実行される。
図2は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU19が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、DPF再生が行われているときに実行される。
図2に示すルーチンによれば、まず、温度センサ20により、温度調整装置5の上流側の排気ガスの温度が測定される(ステップ100)。次いで、温度センサ9により、混合室8内の温度、すなわちオゾンを含んだ排気ガスの温度が測定される(ステップ102)。続いて、上記ステップ102で測定された、オゾンを含んだ排気ガスの温度Tが、200℃より低いか否か判定される(ステップ104)。
上記ステップ104で、オゾンを含んだ排気ガスの温度Tが200℃より低いと判定された場合には、排気ガスを加熱するべく、ヒーター7に通電するようにヒーター駆動回路24が制御される(ステップ106)。このステップ106においては、上記ステップ100で測定された温度や、上記ステップ102で測定された温度に応じて、ヒーター7への通電量を制御することにより、排気ガスに対する加熱量が調節される。
一方、上記ステップ104で、オゾンを含んだ排気ガスの温度Tが200℃以上であると判定された場合には、排気ガスを冷却するべく、開閉弁23が開かれる(ステップ108)。このステップ108においては、上記ステップ100で測定された温度や、上記ステップ102で測定された温度に応じて、開閉弁23の開度を制御することにより、冷却水流量(つまり排気ガスに対する冷却量)が調節される。
上述した図2に示すルーチンの制御によれば、DPF再生の実行中、DPF15に流入する、オゾンを含んだ排気ガスの温度が、PM酸化効率が最良となる温度(200℃)に近づくように、精度良く制御することができる。このため、少ない量のオゾンで、DPF15に蓄積したPM17を確実に酸化させて除去することができる。よって、オゾンを生成および供給するために要する電力を低減することができ、燃費をより一層改善することができる。
また、本実施形態では、温度調整装置5を通過した、混合室8内の排気ガス中にオゾンを供給する構成となっている。これにより、次のような利点がある。ディーゼルエンジン1から排出される排気ガスの温度が高い場合(高負荷運転時)であっても、温度調整装置5を通過した後の排気ガスの温度は、200℃付近の温度に調整されている。このため、供給されたオゾンがDPF15に流入する前に熱によって分解することを確実に抑制することができ、オゾンをより有効に無駄なく利用することができる。
なお、図1に示す本実施形態のシステムでは、オゾン発生器10により生成されたオゾンをそのまま混合室8へ送って排気ガス中に添加するように構成されているが、本発明では、オゾンを予め生成、貯留しておき、その貯留されたオゾンを必要時に排気ガス中に添加するようにしてもよい。また、本実施形態では、外部から取り込んだ空気中の酸素によってオゾンを生成しているが、本発明では、オゾン発生器を排気ガス流路内に設置する構成としてもよい。すなわち、排気ガス中に残存する酸素をオゾンに転換させるようにしてもよい。
また、本実施形態では、DPF再生を行う場合にオゾンを利用する場合を例に説明したが、本発明では、オゾンの供給対象となる排気浄化器の種類は、特に限定されず、例えば、三元触媒、NOx触媒、酸化触媒等であってもよい。
また、本実施形態では、活性酸素としてオゾンを排気ガス中に供給しているが、本発明では、オゾンに代えて、他の種類の活性酸素(例えば、O-,O2-,O2 -,O3 -,On -等で表される酸素マイナスイオン)を排気ガス中に供給するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態1においては、ディーゼルエンジン1が前記第1の発明における「内燃機関」に、DPF15が前記第1の発明における「排気浄化器」に、オゾン発生器10、ポンプ12およびオゾン輸送管13が前記第1の発明における「活性酸素供給装置」に、ヒーター7が前記第2の発明における「加熱装置」に、ウォータージャケット6、入口側配管21、出口側配管22および開閉弁23が前記第3の発明における「冷却装置」に、温度センサ9が前記第5の発明における「温度検出手段」に、それぞれ相当している。また、ECU19が、図1に示すルーチンの処理を実行することにより前記第1、第2、第3および第5の発明における「制御手段」がそれぞれ実現されている。
なお、上述した実施の形態における温度調整装置は、排気ガスを加熱または冷却することによって排気ガスの温度を調整するものであるが、本発明における温度調整装置は、内燃機関の運転制御によって(すなわち、制御パラメータを変化させることによって)、排気ガスの温度を調整する構成をも含む概念である。
1 ディーゼルエンジン
2 排気管
3 酸化触媒
4 排気管
5 温度調整装置
6 ウォータージャケット
7 ヒーター
8 混合室
9 温度センサ
10 オゾン発生器
12 ポンプ
13 オゾン輸送管
15 DPF
16 フィルター
17 粒子状物質
19 ECU
20 温度センサ
21 入口側配管
22 出口側配管
23 開閉弁
24 ヒーター駆動回路
2 排気管
3 酸化触媒
4 排気管
5 温度調整装置
6 ウォータージャケット
7 ヒーター
8 混合室
9 温度センサ
10 オゾン発生器
12 ポンプ
13 オゾン輸送管
15 DPF
16 フィルター
17 粒子状物質
19 ECU
20 温度センサ
21 入口側配管
22 出口側配管
23 開閉弁
24 ヒーター駆動回路
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスを浄化する排気浄化器と、
前記排気浄化器に活性酸素を供給する活性酸素供給装置と、
前記排気浄化器の上流側の排気ガスの温度を調整する温度調整装置と、
前記排気浄化器に活性酸素が供給されるときに、前記温度調整装置により、排気ガスの温度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記温度調整装置は、排気ガスを加熱する加熱装置を備え、
前記制御手段は、排気ガスの温度が目標温度より低い場合に、前記加熱装置を作動させることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記温度調整装置は、排気ガスを冷却する冷却装置を備え、
前記制御手段は、排気ガスの温度が目標温度より高い場合に、前記冷却装置を作動させることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記冷却装置は、前記内燃機関の冷却水を用いて排気ガスを冷却することを特徴とする請求項3記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記活性酸素供給装置により供給された活性酸素を含んだ排気ガスの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度が目標温度に近づくように、前記温度調整装置の作動を制御することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記活性酸素供給装置は、前記温度調整装置を通過した後の排気ガス中に活性酸素を供給することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項記載の内燃機関の排気浄化装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010209754A (ja) * | 2009-03-09 | 2010-09-24 | Toyota Motor Corp | 排気浄化装置 |
CN102536389A (zh) * | 2010-12-31 | 2012-07-04 | 陈温乐 | 车辆排放废气低温瞬态净化处理装置 |
JP2014062543A (ja) * | 2012-08-30 | 2014-04-10 | Toyota Central R&D Labs Inc | 内燃機関の排気浄化装置 |
-
2008
- 2008-12-16 JP JP2008319463A patent/JP2010144524A/ja not_active Withdrawn
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