JP2016211516A

JP2016211516A - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP2016211516A
Application number: JP2015098397A
Authority: JP
Inventors: 雄介伯耆; Yusuke Hoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2016-12-15

Abstract

【課題】触媒物質を概ね均一に加熱する。
【解決手段】内燃機関の排気浄化システムは関排気通路２１内に配置された筐体２３と、筐体内に配置された排気浄化触媒２４と、機関排気通路内に配置されたマイクロ波照射機構５０、３０と、を備える。排気浄化触媒は、マイクロ波を吸収可能な誘電体又は磁性体を含む担体基材と、担体基材上に配置され、排気ガスを浄化する触媒物質と、を備える。マイクロ波照射機構により照射されたマイクロ波が誘電体又は磁性体に吸収されることにより排気浄化触媒が加熱される。マイクロ波照射機構は、排気浄化触媒に向けて所定周波数のマイクロ波を照射し、マイクロ波の反射波の強度を計測し、マイクロ波の反射波の強度に基づいて、筐体内の液水の長手方向位置を検出し、液水の位置でのマイクロ波の強度が相対的に高くなるように、マイクロ波を筐体内へ照射して、液水をマイクロ波で加熱し、蒸発させて除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化システムに関する。

空気通路内に配置され、空気を浄化する空気浄化触媒と、空気通路内における空気浄化触媒の上流側に配置され、空気浄化触媒に向けて所定周波数のマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置とを備え、空気浄化触媒は、担体基材と、担体基材上に配置され、空気を浄化する触媒物質と、を備え、担体基材はマイクロ波を吸収可能な発熱体を含み、発熱体はマイクロ波照射装置からのマイクロ波を吸収して発熱する、空気清浄器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

触媒物質は一般的には活性化温度以上にならないと触媒として機能しない。そこで、特許文献１では、マイクロ波で発熱体を発熱させることで、担体基材を加熱して、それにより担体基材上の触媒物質を活性化温度以上に加熱している。

特開２００６−１５８９４７号公報

上記特許文献１では、空気浄化触媒内に液水が存在すると、その液水がマイクロ波のエネルギを吸収してしまう。そのため、空気浄化触媒の担体基材のうち、液水から遠い部分の発熱体はマイクロ波のエネルギを吸収して発熱できるが、液水に近い部分の発熱体はマイクロ波のエネルギをあまり吸収できずあまり発熱できない。それゆえ、担体基材の中に十分に発熱する領域とあまり発熱しない領域とができる。すなわち、担体基材上の触媒物質を均一に加熱できないおそれがある。ここで、上記特許文献１の触媒物質の加熱方法は、内燃機関の排気浄化触媒を加熱する方法にも適用可能である。しかし、その場合でも担体基材上の触媒物質を均一に加熱できないおそれがあることにかわりはない。その結果、排気浄化触媒により排気ガスを十分に浄化できないおそれがある。

本発明によれば、機関排気通路内に配置された筐体と、前記筐体内に配置され、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、前記機関排気通路内における前記排気浄化触媒の上流側又は下流側に配置され、前記排気浄化触媒に向けてマイクロ波を照射するマイクロ波照射機構と、を備え、前記排気浄化触媒は、前記マイクロ波を吸収可能な誘電体又は磁性体を含む担体基材と、前記担体基材上に配置され、前記排気ガスを浄化する触媒物質と、を備え、前記マイクロ波照射機構により照射された前記マイクロ波が前記誘電体又は磁性体に吸収されることにより前記排気浄化触媒が加熱される、内燃機関の排気浄化システムであって、前記マイクロ波照射機構は、前記排気浄化触媒に向けて所定周波数のマイクロ波を照射し、前記マイクロ波の反射波の強度を計測し、前記マイクロ波の反射波の強度に基づいて、前記筐体内の液水の長手方向位置を検出し、前記液水の位置での前記マイクロ波の強度が相対的に高くなるように、前記マイクロ波を前記筐体内へ照射して、前記液水を前記マイクロ波で加熱し、蒸発させて除去する、内燃機関の排気浄化システムが提供される。

触媒物質を概ね均一に加熱することができる。

排気浄化システムが適用された内燃機関の全体図である。スタートアップ排気浄化触媒の正面図である。スタートアップ排気浄化触媒の側面断面図である。スタートアップ排気浄化触媒の隔壁の部分拡大断面図である。マイクロ波照射装置の動作を説明する図である。筐体内での定在波の一例を示す模式図である。筐体内での液水がある場合での定在波の一例を示す模式図である。水の誘電率を示すグラフである。炭素の誘電率を示すグラフである。液水が無い場合での定在波の特性を示す模式図である。液水が有る場合での定在波の特性を示す模式図である。液水が有る場合での定在波の特性を示す模式図である。液水が有る場合での定在波の特性を示す模式図である。排気浄化システムの触媒温度制御のフロー図である。触媒温度制御の液水除去制御のフロー図である。二つのマイクロ波照射装置の動作を説明する図である。

図１を参照すると、圧縮着火式内燃機関の本体１には、各気筒の燃焼室２、燃焼室２内に燃料を噴射するための電磁制御式燃料噴射弁３、吸気マニホルド４及び排気マニホルド５が設けられている。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口は吸気導入管８を介してエアフロメータ９及びエアクリーナ１０に順次連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１１が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１２が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は機関排気通路としての排気管２１に連結される。排気管２１には排気後処理システム２０が連結される。

各燃料噴射弁３は燃料供給管１３を介してコモンレール１４に連結され、このコモンレール１４は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１５を介して燃料タンク１６に連結される。燃料タンク１６内には燃料が液体の形で貯蔵されている。燃料タンク１６内の燃料は燃料ポンプ１５によってコモンレール１４内に供給され、コモンレール１４内に供給された燃料は各燃料供給管１３を介して燃料噴射弁３に供給される。本発明による実施例ではこの燃料は軽油から構成される。図示しない別の実施例では、内燃機関はリーン空燃比のもとで燃焼が行われる火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲという。）通路１７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１７内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１８が配置される。また、ＥＧＲ通路１７周りにはＥＧＲ通路１７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１９が配置される。

図１に示す実施例では、排気後処理システム２０はスタートアップ排気浄化装置２２を備える。排気タービン７ｔ下流の排気管２１にはスタートアップ排気浄化装置２２の筐体２３の入口が連結され、筐体２３の出口は排気管２１ａに連結される。筐体２３内にはスタートアップ排気浄化触媒２４が配置される。図１に示す実施例ではスタートアップ排気浄化触媒２４は担体基材と、担体基材上に担持された排気浄化触媒とを含む。排気浄化触媒は比較的小容量であり、短時間のうちに活性化する、すなわち暖機が終わるようになっている。図１に示す実施例では排気浄化触媒は三元触媒である。三元触媒は担体基材全体に概ね均一に担持される。また、排気後処理システム２０はマイクロ波照射装置５０を更に備える。スタートアップ排気浄化装置２２上流に位置する排気管２１にはマイクロ波照射装置５０のマイクロ波放射器５３が配置される。マイクロ波放射器５３には伝送路５２を介してマイクロ波発振器５１が接続される。マイクロ波放射器５３はマイクロ波を放射し、マイクロ波を受信する。マイクロ波放射器５３としては例えばループアンテナのようなアンテナが用いられる。マイクロ波発振器５１はマイクロ波を発生し、発生するマイクロ波の周波数及び位相を変更可能であり、受信されたマイクロ波の周波数、位相及び強度を計測可能である。ただし、マイクロ波は進行波、反射波又はそれらを合成した合成波、すなわち定在波である。マイクロ波発振器５１としては例えばガンダイオードのような半導体素子を用いた半導体発振器が用いられる。伝送路５２はマイクロ波発振器５１で発生されたマイクロ波をマイクロ波放射器５３へ伝送し、マイクロ波放射器５３で受信されたマイクロ波をマイクロ波発振器５１へ伝送する。伝送路５２としては例えば同軸ケーブルが用いられる。マイクロ波発振器５１で発生したマイクロ波は伝送路５２を経由してマイクロ波放射器５３からスタートアップ排気浄化触媒２４へ向かって放射され、スタートアップ排気浄化触媒２４を加熱する。図１に示す実施例ではマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚである。

また、排気後処理システム２０は主排気浄化装置２５を更に備える。スタートアップ排気浄化装置２２下流の排気管２１ａには主排気浄化装置２５の筐体２６の入口が連結され、筐体２６の出口は排気管２１ｂに連結される。筐体２６内には主排気浄化触媒２７が配置される。図１に示す実施例では主排気浄化触媒２７は排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタ上に担持され、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒とから構成される。また、主排気浄化触媒２７上流に位置する排気管２１ａには、炭化水素ないし燃料を液体の形で２次的に供給する電磁式の添加弁２８が取り付けられる。添加弁２８は図示しない別の燃料ポンプを介して燃料タンク１６に連結される。燃料タンク１６内の燃料は別の燃料ポンプによって添加弁２８に供給され、次いで添加弁２８によって主排気浄化触媒２７に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。スタートアップ排気浄化触媒２４下流の筐体２３内には、スタートアップ排気浄化触媒２４から流出する排気ガスの温度を検出する温度センサ６１が取り付けられる。この排気ガスの温度はスタートアップ排気浄化触媒２４の温度を表している。また、筐体２６には主排気浄化触媒２７の前後差圧を検出する差圧センサ６２が取り付けられる。エアフロメータ９、マイクロ波発振器５１、温度センサ６１及び差圧センサ６２の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに、クランクシャフトが例えば３０度回転するごとに出力パルスを発生するクランク角センサ４１が入力ポート３５に接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１１の駆動装置、燃料ポンプ１５、ＥＧＲ制御弁１８、マイクロ波発振器５１、添加弁２８、及び別の燃料ポンプ（図示しない）に接続される。

図１に示す実施例では、スタートアップ排気浄化装置２２のスタートアップ排気浄化触媒２４は詳細には以下の構成を有している。図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれスタートアップ排気浄化触媒２４の構成例を示す正面図及び側面断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示されるようにスタートアップ排気浄化触媒２４はストレートフロー型のハニカム構造を有する担体基材７０を備え、スタートアップ排気浄化触媒２４の形状、すなわち担体基材７０の形状は略円柱である。担体基材７０は長手方向Ｓに互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路７１とこれら排気流通路７１を互いに隔てる隔壁７２とを有する。排気流通路７１は上流端及び下流端が開放された排気ガス通路により構成されており、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスは排気流通路７１に上流端から流入し、下流端から流出する。

図１に示す実施例では、主排気浄化装置２５の主排気浄化触媒２７のパティキュレートフィルタはウォールフロー型のハニカム構造を有する。機関吸気通路、燃焼室２及び主排気浄化触媒２７上流の排気通路内に供給された空気及び燃料ないし炭化水素の比を排気ガスの空燃比と称し、吸収と吸着とを包含する用語として吸蔵という用語を用いると、パティキュレートフィルタ上のＮＯｘ吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯｘを放出し還元する機能を有する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、白金（Ｐｔ）を含む貴金属触媒と、カリウム（Ｋ）のようなアルカリ金属元素、バリウム（Ｂａ）のようなアルカリ土類金属元素、ランタン（Ｌａ）のような希土類元素及び銀（Ａｇ）のようなＮＯｘに電子を供与しうる金属を含む塩基性層とを備える。

図１に示す実施例では、燃焼室２において酸素過剰のもとで燃焼が行われる。その場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒への流入排気ガスの空燃比はリーンに維持され、このとき流入排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵される。そして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯｘが予め設定された閾値量を超えると添加弁２８から燃料が２次的に供給され、流入排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比にされる。空燃比がリッチ又は理論空燃比にされることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘが放出され還元されて窒素ガスとなり、排気ガスが浄化されて排出される。

図３はスタートアップ排気浄化触媒２４の隔壁の部分拡大断面図を示している。図３に示される実施例では、スタートアップ排気浄化触媒２４の担体基材７０内には、マイクロ波照射装置５０から出力される所定周波数（例示：２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波（の電界成分）を吸収可能な誘電体８１ａを含む層８１が形成される。図３に示される実施例では、層８１は担体基材７０の表面上に形成される。層８１の表面上には、排気浄化触媒の触媒物質８２ａを含む触媒層８２が形成される。図３に示す実施例では触媒物質８２ａは三元触媒である。すなわち、担体基材７０の表面上に誘電体８１ａが形成され、誘電体８１ａの表面上に触媒物質８２ａが形成される。このとき、誘電体８１ａがマイクロ波を吸収して発熱することにより担体基材７０が発熱し、それによって触媒物質８２ａが加熱される。また、図示しない別の実施例では層８１は誘電体の代わりに、又は、誘電体と共に、所定周波数のマイクロ波（の磁界成分）を吸収可能な磁性体を含んでいる。

担体基材７０内の誘電体８１ａの材料としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような酸化物や炭化物が例示される。誘電体の代わりに、又は、誘電体と共に磁性体を用いる場合、磁性体の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）又はそれらの組み合わせのような強磁性体、並びに、フェライト（Ｆｅ_３Ｏ_４）のようなフェリ磁性体が例示される。

担体基材７０は所定周波数（例示：２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波が概ね透過可能な多孔質材料から形成される。担体基材７０の材料としては、例えばコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）のようなセラミックが挙げられる。

触媒物質８２ａである三元触媒は、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）をそれぞれ浄化する。三元触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）及びロジウム（Ｒｈ）からなる貴金属触媒が、セリア（ＣｅＯ_２）及びセリア（ＣｅＯ_２）−ジルコニア（ＺｒＯ_２）のような酸化物担体に担持された触媒に例示される。

図３に示すようなスタートアップ排気浄化触媒２４の製造方法については、例えばまず担体基材７０に誘電体８１ａを含むスラリーを塗布し、加熱・乾燥させて層８１を形成し、その後に層８１上に触媒物質８２ａを含浸法により含浸させて触媒層８２を形成する方法が考えられる。

次に、図４を参照して、マイクロ波照射装置５０によりスタートアップ排気浄化装置２２の筐体２３内に発生するマイクロ波の進行波と反射波とが合成された定在波について説明する。

図４に示すように、マイクロ波放射器５３からスタートアップ排気浄化触媒２４へ向かって放射されたマイクロ波の進行波ＭＷｉは筐体２３の入口端２３ｉから筐体２３へ進入する。このとき、筐体２３の内部はスタートアップ排気浄化触媒２４でほぼ満たされているが、スタートアップ排気浄化触媒２４の大部分を占める担体基材７０はマイクロ波が概ね透過可能な材料で形成されている。したがって、筐体２３の内部はマイクロ波にとって空洞（キャビティ）であり、マイクロ波の進行波ＭＷｉはスタートアップ排気浄化触媒２４にほとんど邪魔されずに筐体２３内を進むことができる。そして、筐体２３内ではマイクロ波の進行波ＭＷｉと進行波ＭＷｉが筐体２３内の壁面２３ｗに反射して生じる反射波ＭＷｒとが重なり合って筐体２３内に三次元的に広がる定在波が形成される。したがって、定在波は筐体２３内にスタートアップ排気浄化触媒２４と重なるように形成される。なお、図示しない別の実施例では、マイクロ波が筐体２３の出口端２３ｏから排気管２１へ漏れ出すことを防止する金網のような電波遮蔽部材が出口端２３ｏに配置される。

このとき、スタートアップ排気浄化触媒２４と重なるように筐体２３内に形成されるマイクロ波の定在波により、担体基材７０上の誘電体８１ａが発熱し、それにより触媒物質８２ａが加熱される。それにより、触媒物質８２ａが活性化温度に迅速に到達して、触媒としての機能を発揮することができる。ところが、筐体２３内、すなわちスタートアップ排気浄化触媒２４内に液水が存在すると、その液水がマイクロ波のエネルギを吸収してしまう。その結果、液水に近い位置にある誘電体８１ａは吸収し得るエネルギが少なくなるため、液水から遠い位置にある誘電体８１ａと比較して発熱量が少なくなる。それにより、担体基材の中に十分に発熱する領域とあまり発熱しない領域とができる。すなわち、スタートアップ排気浄化触媒２４の触媒物質８２ａを均一に加熱できないおそれがある。そこで本実施例では、マイクロ波照射装置５０でスタートアップ排気浄化触媒２４を加熱するときには、液水の有無を確認し、液水が有る場合には液水を除去する液水除去制御を行う。以下、液水除去制御について詳細に説明する。

液水除去制御は、スタートアップ排気浄化触媒２４内での異物の有無を判別し、異物が有る場合には異物が液水か否かを判別し、液水が有る場合にはスタートアップ排気浄化触媒２４上の液水の位置を特定し、位置を特定された液水にマイクロ波を照射して液水を加熱、蒸発させて除去する制御である。

まず、スタートアップ排気浄化触媒２４内での異物の有無を判別する方法について説明する。図５及び図６は筐体２３内の定在波の状態を示す模式図である。以下では、定在波の電界成分（以下、単に定在波という）について説明するが、磁界成分についても同様である。図５はスタートアップ排気浄化触媒２４内に異物９０が存在しない場合での定在波ＳＷ１の強度の一例を示している。一方、図６はスタートアップ排気浄化触媒２４内に異物９０が存在する場合での定在波ＳＷ２の強度の一例を示している。ただし、異物９０はマイクロ波を吸収可能であり、本実施例では排気ガス中に含まれる水蒸気が機関停止中にスタートアップ排気浄化触媒２４内で凝縮することにより生成される液水、又は、排気ガス中に含まれる主として固体炭素からなる粒子状物質である。

図５及び図６に示すように、異物９０が存在しない場合での定在波ＳＷ１の強度と比較して、異物９０が存在する場合での定在波ＳＷ２の強度は小さくなる。これは、マイクロ波（進行波及び反射波を含む）のエネルギが異物９０に吸収されるためである。したがって、定在波の強度の変化を検出することで、異物９０の有無を検出することができる。ただし、定在波の強度は、マイクロ波の進行波と反射波とを合成した合成波の強度であるから、定在波の強度の減少により反射波の強度も減少する。以下では異物９０の検出の指標として定在波の強度の代わりに反射波の強度を用いる。

具体的には、マイクロ波照射装置５０は、所定周波数及び所定位相を有する試験用のマイクロ波をスタートアップ排気浄化触媒２４に向け照射し、反射波の強度を計測する。電子制御ユニット３０は、計測された反射波の強度が所定の閾値強度以上であれば、スタートアップ排気浄化触媒２４内に異物がないと判別する。一方、計測された反射波の強度が所定の閾値強度未満であれば、スタートアップ排気浄化触媒２４内に異物があると判別する。

次に、スタートアップ排気浄化触媒２４内に異物９０が有る場合、異物９０が液水か否かを判別する方法について説明する。図７は液水の複素誘電率の複素成分であるε”の周波数特性の一例を示すグラフであり、図８は炭素の複素誘電率の複素成分であるε”の周波数特性の一例を示すグラフである。縦軸はε”を示し、横軸は周波数を示し、主に１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲を示している。ε”は材料の誘電損失に関係する値であり、ε”が大きいほどマイクロ波を吸収し易いと考えることができる。図７及び図８に示すように、周波数１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲では、液水は周波数が高いほどε”が大きくなる、すなわちマイクロ波を吸収し易いが、炭素は周波数が高いほどε”が小さくなる、すなわちマイクロ波を吸収し難い。したがって、マイクロ波の周波数を１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲で徐々に高くしたとき、マイクロ波の吸収が徐々に大きくなり、反射波の強度が徐々に小さくなる場合には、異物９０は液水であると判別できる。一方、マイクロ波の吸収が徐々に小さくなり、反射波の強度が徐々に大きくなる場合には、異物９０は炭素であると判別できる。

具体的には、マイクロ波照射装置５０は、所定位相及び互いに異なる周波数を有する複数のマイクロ波を個別にスタートアップ排気浄化触媒２４に向け照射し、複数のマイクロ波の各々について、反射波の強度を計測する。ここで、マイクロ波の周波数は約１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲から選択された互いに異なる複数の周波数とする。電子制御ユニット３０は、計測された反射波の強度が周波数の増加と共に小さくなる場合には、異物９０は液水であると判別する。一方、計測された反射波の強度が周波数の増加と共に大きくなる場合には、異物９０は炭素であると判別する。

次に、スタートアップ排気浄化触媒２４内に液水が有る場合、スタートアップ排気浄化触媒２４上の長手方向Ｓの液水の位置を特定する方法について説明する。図９〜図１２は定在波の強度と液水との関係を示す模式図である。以下では、液水がスタートアップ排気浄化触媒２４の長手方向Ｓの上流側部分２４ｉ、中央部分２４ｃ及び下流側部分２４ｏのうちの上流側部分２４ｉに存在する場合を例として液水の位置を特定する方法について説明する。

まず、スタートアップ排気浄化触媒２４内に図９に示すような強度ＩＳＷ１ａを有する定在波を形成するように、マイクロ波の周波数及び位相を調整する。ここで、例えば、強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが、スタートアップ排気浄化触媒２４の長手方向Ｓの上流側部分２４ｉ、中央部分２４ｃ及び下流側部分２４ｏのうち、上流側部分２４ｉに位置するように定在波を形成する。このとき、図９に示すような強度ＩＳＷ１ａを有する定在波が確かに形成される場合には、スタートアップ排気浄化触媒２４内に液水が無い。

ところが、図１０に示すように、上流側部分２４ｉに液水９０ａがある場合、定在波の強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが液水９０ａに重なるので、液水９０ａに吸収されるマイクロ波のエネルギが多くなる。そのため、定在波の強度はＩＳＷ１ａからＩＳＷ２ａに大幅に減少する。それにより、マイクロ波照射装置５０により計測される、液水の無い場合（ＩＳＷ１ａ）での反射波の強度に対する、図１０の場合（ＩＳＷ２ａ）での反射波の強度の割合は非常に小さい値となる。

続いて、マイクロ波の位相を調整して、図１１に示すように、定在波の強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが中央部分２４ｃに位置するように定在波を形成する。このとき強度ＩＳＷ１ａの低い部分が上流側部分２４ｉに重なるので、液水９０ａに吸収されるマイクロ波のエネルギが少なくなる。そのため、定在波の強度はＩＳＷ１ａからＩＳＷ２ｂに減少するが、図１０のＩＳＷ２ａよりも減少量は小さい。それにより、マイクロ波照射装置５０により計測される、液水の無い場合（ＩＳＷ１ａ）の反射波の強度に対する、図１１の場合（ＩＳＷ２ｂ）での反射波の強度の割合は図１０の場合より大きい値となる。

続いて、マイクロ波の位相を更に調整して、図１２に示すように、定在波の強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが下流側部分２４ｏに位置するように定在波を形成する。このとき強度ＩＳＷ１ａの非常に弱い部分が上流側部分２４ｉに重なるので、液水９０ａに吸収されるマイクロ波のエネルギが非常に少なくなる。そのため、定在波の強度はＩＳＷ１ａからＩＳＷ２ｃにわずかに減少するが、図１１のＩＳＷ２ｂよりも減少量は小さい。それにより、マイクロ波照射装置５０により計測される、液水の無い場合（ＩＳＷ１ａ）の反射波の強度に対する、図１２の場合（ＩＳＷ２ｃ）での反射波の強度の割合は図１１の場合より大きい値となる。

上流側部分２４ｉではなく、中央部分２４ｃ及び下流側部分２４ｏに液水９０ａがある場合でも、同様にマイクロ波の位相を調整して、液水の無い場合（ＩＳＷ１ａ）の反射波の強度に対する、液水が有る場合（ＩＳＷ２ａ〜ＩＳＷ２ｃ）の反射波の強度の割合を計測できる。

したがって、図１０〜図１２の例では、図１０の場合、すなわち強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが長手方向Ｓの上流側部分２４ｉにある場合に、液水の無い場合での反射波の強度に対する計測された反射波の強度の割合が最小となる。したがって長手方向Ｓの上流側部分２４ｉに液水があると特定できる。同様に、強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが長手方向Ｓの中央部分２４ｃにある場合に反射波の強度の割合が最小となれば、長手方向Ｓの中央部分２４ｃに液水があると特定できる。強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが長手方向Ｓの下流側部分２４ｏにある場合に反射波の強度の割合が最小となれば、長手方向Ｓの下流側部分２４ｏに液水があると特定できる。

具体的には、マイクロ波照射装置５０は、所定周波数及び互いに異なる位相を有する複数のマイクロ波を個別にスタートアップ排気浄化触媒２４内に照射し、複数のマイクロ波の各々について、反射波の強度を計測する。電子制御ユニット３０は、液水の無い場合での反射波の強度に対する計測された反射波の強度の割合が最小となるときの定在波における強度の高い部分の位置に基づいて、液水の位置を特定する。

次に、位置を特定された液水にマイクロ波を照射して液水を加熱、蒸発させて除去する方法について説明する。マイクロ波のエネルギを効率的に液水に吸収させるためには、定在波の強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨがスタートアップ排気浄化触媒２４内の液水の位置と重なるように定在波を形成する。例えば、液水９０ａの位置が上流側部分２４ｉの場合、図１０の場合のように強度ＩＳＷ１ａの高い部分ＩＰＨが上流側部分２４ｉに位置するように定在波を形成する。ただし、図１０の場合の強度ＩＳＷ１ａよりも強度を高く、すなわちマイクロ波のエネルギをより高くする。それにより、液水９０ａに吸収されるマイクロ波のエネルギが増加して、液水が迅速に加熱され、蒸発して除去される。

具体的には、マイクロ波照射装置５０は、反射波の強度が最小となったマイクロ波と同じ位相を有し、強度を相対的に高くしたマイクロ波をスタートアップ排気浄化触媒２４内へ照射する。それにより、液水がマイクロ波で加熱され、蒸発して除去される。

上記のマイクロ波照射装置５０と電子制御ユニット３０とは、スタートアップ排気浄化触媒２４に向けてマイクロ波を照射し、マイクロ波の反射波の強度を計測し、マイクロ波の反射波の強度に基づいてスタートアップ排気浄化触媒２４内の長手方向の液水の位置を検出し、マイクロ波で液水を加熱し、蒸発させて除去することからマイクロ波照射機構を構成していると見ることができる。また、上記の筐体と排気浄化触媒とを備えるスタートアップ排気浄化装置２２と、排気浄化触媒に向けてマイクロ波を照射するマイクロ波照射機構とは、マイクロ波によって排気浄化触媒を加熱することで排気ガスの浄化を行う内燃機関の排気浄化システムを構成していると見ることができる。

次に、内燃機関の排気浄化システムの動作方法について説明する。排気浄化システムは以下のような触媒温度制御を行っている。エンジンの始動時又は温度センサ６１で検出されるスタートアップ排気浄化触媒２４の温度が予め設定された基準温度未満の時、マイクロ波放射器５３からスタートアップ排気浄化触媒２４へマイクロ波が放射される。それにより、スタートアップ排気浄化触媒２４の誘電体８１ａが発熱して触媒層８２が加熱されて触媒物質８２ａが活性化温度以上となり、触媒として機能するようになる。その結果、スタートアップ排気浄化触媒２４での排気ガスの浄化が可能となる。ただし、スタートアップ排気浄化触媒２４へのマイクロ波の放射前には、上記されたスタートアップ排気浄化触媒２４の液水除去制御を行う。それにより、スタートアップ排気浄化触媒２４の加熱が液水の存在により不均一になることを防止できる。一方、スタートアップ排気浄化触媒２４での触媒反応が進み、スタートアップ排気浄化触媒２４の温度が高まって、温度センサ６１で検出されるスタートアップ排気浄化触媒２４の温度が基準温度以上になった時、マイクロ波放射器５３からのマイクロ波の放射を停止する。

図１３は上述した内燃機関の排気浄化システムの触媒温度制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは予め設定された設定時間ごとの割り込みによって実行される。図１３を参照すると、ステップ１００では温度センサ６１によりスタートアップ排気浄化触媒２４の温度ＴＳが計測される。ステップ１０１では温度ＴＳが予め設定された基準温度ＴＳｔｈ未満であるか否かが判別される。温度ＴＳが基準温度ＴＳｔｈ以上である場合、制御プロセスを終了する。そのとき、マイクロ波の照射が行われていれば、マイクロ波の照射が停止される。これに対して、温度ＴＳが基準温度ＴＳｔｈ未満である場合、続くステップ１０２にて液水除去制御が実行され、スタートアップ排気浄化触媒２４上の液水の有無及び位置の検出並びに液水の除去が行われる。ただし、そのとき、マイクロ波の照射が行われていれば、液水分除去制御は省略される。その後ステップＳ１０３にてスタートアップ排気浄化触媒２４へマイクロ波が照射される。そのとき、マイクロ波の照射が行われていれば、マイクロ波の照射が継続される。

図１４は上述した触媒温度制御内の液水除去制御を実行するルーチンを示している。図１４を参照すると、ステップ２００ではスタートアップ排気浄化触媒２４に試験用のマイクロ波が照射され、反射波の強度が計測される。続くステップ２０１では計測された反射波の強度が所定の閾値強度以上であるか否かでスタートアップ排気浄化触媒２４内に異物が有るか否かが判別される。異物が無い場合、制御プロセスは終了する。一方、異物が有る場合、続くステップ２０２にて所定位相及び互いに異なる周波数を有する複数のマイクロ波が個別にスタートアップ排気浄化触媒２４に照射され、複数のマイクロ波の各々について、反射波の強度が計測される。続くステップ２０３では計測された反射波の強度がマイクロ波の周波数と共に増加するか否かで異物が液水であるか否かが判別される。異物が液水でない場合、制御プロセスは終了する。異物が液水である場合、続くステップ２０４にて所定周波数及び互いに異なる位相を有する複数のマイクロ波が個別にスタートアップ排気浄化触媒２４に照射され、複数のマイクロ波の各々について、反射波の強度が計測される。続くステップ２０５にて反射波の強度が最小となる位相に基づいて液水の位置が特定される。続くステップ２０６にて反射波の強度が最小となったマイクロ波と同じ位相を有し、強度を相対的に高くしたマイクロ波が筐体２３内へ照射されることにより、液水がマイクロ波で加熱され、蒸発して除去される。

図示しない別の実施例では、異物が液水か否かを判別する方法として、複数のマイクロ波のうちの反射波の強度が最小となるマイクロ波が、液水に吸収され得る周波数を有するか否かで異物が液水か否かを判別する。例えば、周波数が１０ＧＨｚのマイクロ波は液水に吸収され易いが炭素には吸収され難い。逆に、周波数が１ＧＨｚ未満のマイクロ波は液水に吸収され難いが炭素には吸収され易い。したがって、例えば１０ＧＨｚのマイクロ波と１ＧＨｚ未満のマイクロ波の吸収され易さを比較することで、異物が液水か否かを判別できる。

次に、図１５を参照して更に別の実施例について説明する。図１５に示す更に別の実施例は、図４に示す実施例と比較すると、マイクロ波照射装置が２個配置されている点が、図４に示す実施例と相違する。以下、主に相違点について説明する。

図１５に示す更に別の実施例では、排気管２１内におけるスタートアップ排気浄化装置２２の上流側にマイクロ波照射装置５０が配置されるだけでなく、排気管２１ａ内におけるスタートアップ排気浄化装置２２の下流側にも別のマイクロ波照射装置５０ａが配置されている。

図１５に示すように、別のマイクロ波照射装置５０ａは、マイクロ波発振器５１ａで発生させた別のマイクロ波ＭＷ２（例示：別の周波数２．４５ＧＨｚ±Δ）を、伝送路５２ａを介してマイクロ波放射器５３ａからスタートアップ排気浄化装置２２へ向かって放射する。別のマイクロ波ＭＷ２は筐体２３の出口端２３ｏから筐体２３へ進入する。一方、マイクロ波照射装置５０のマイクロ波放射器５３からのマイクロ波ＭＷ１は筐体２３の入口端２３ｉから筐体２３へ進入する。そうすると、別のマイクロ波ＭＷ２及びその筐体２３内での反射波並びにマイクロ波ＭＷ１及びその筐体２３内での反射波とは筐体２３で重なり合って筐体２３内に定在波が形成される。定在波の周波数、位相、強度はマイクロ波ＭＷ１及び別のマイクロ波ＭＷ２それぞれの周波数、位相、強度を調整することにより制御できる。

上記の各実施例ではマイクロ波照射装置５０のマイクロ波放射器５３は排気管２１のスタートアップ排気浄化装置２２上流に配置され、誘電体又は磁性体がスタートアップ排気浄化触媒２４に含有される。図示しない別の実施例では、マイクロ波照射装置５０のマイクロ波放射器５３は排気管２１のスタートアップ排気浄化装置２２下流かつ主排気浄化装置２５上流に配置され、誘電体又は磁性体が主排気浄化触媒２７に含有される。例えば、図３に示す場合と同様に、担体基材としてのパティキュレートフィルタ上又は内部に誘電体又は磁性体が形成され、その上に触媒物質としてＮＯｘ吸蔵還元触媒が担持される。この場合にも、上記の各実施例の場合と同様の効果を主排気浄化装置２５において奏することができる。ただし、この場合には、筐体と排気浄化触媒とを備える主排気浄化装置２５と、排気浄化触媒に向けてマイクロ波を照射するマイクロ波照射機構とが内燃機関の排気浄化システムを構成していると見ることができる。

２１排気管
２３筐体
２４スタートアップ排気浄化触媒
３０電子制御ユニット
５０マイクロ波照射装置

Claims

機関排気通路内に配置された筐体と、
前記筐体内に配置され、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、
前記機関排気通路内における前記排気浄化触媒の上流側又は下流側に配置され、前記排気浄化触媒に向けてマイクロ波を照射するマイクロ波照射機構と、
を備え、
前記排気浄化触媒は、
前記マイクロ波を吸収可能な誘電体又は磁性体を含む担体基材と、
前記担体基材上に配置され、前記排気ガスを浄化する触媒物質と、
を備え、
前記マイクロ波照射機構により照射された前記マイクロ波が前記誘電体又は磁性体に吸収されることにより前記排気浄化触媒が加熱される、内燃機関の排気浄化システムであって、
前記マイクロ波照射機構は、
前記排気浄化触媒に向けて所定周波数のマイクロ波を照射し、前記マイクロ波の反射波の強度を計測し、
前記マイクロ波の反射波の強度に基づいて、前記筐体内の液水の長手方向位置を検出し、
前記液水の位置での前記マイクロ波の強度が相対的に高くなるように、前記マイクロ波を前記筐体内へ照射して、前記液水を前記マイクロ波で加熱し、蒸発させて除去する、
内燃機関の排気浄化システム。