JP4577015B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の粒子状物質を除去する内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の開発及び使用においては、内燃機関からの有害な排気物質を浄化することが重要である。特に、圧縮着火内燃機関や筒内噴射式内燃機関の場合、排気中に有害な粒子状物質が含まれており、その粒子状物質をどのように浄化するかが問題となっている。

そこで、内燃機関の排気通路にプラズマ発生装置を設け、それにより排気中の粒子状物質を帯電させて、粒子状物質の粒径を大きくし、捕集されやすくする。そして、帯電させられた粒子状物質を捕集し、捕集された粒子状物質を燃焼することで、排気中の粒子状物質の除去を行う。

しかし、高温の排気がプラズマ発生装置に流れ込むとスパーク放電を起こしやすくなるため、プラズマが持続されにくくなりプラズマ発生装置による排気浄化能力が著しく低下する。そこで、プラズマ発生装置に流入する排気を冷却する冷却装置を設ける技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。この技術により、プラズマ発生装置で発生するスパーク放電を抑制する。
特開平１０−１６９４３１号公報 特開２００４−１７６６７９号公報 特開平１０−１７４８４５号公報

内燃機関の排気中の粒子状物質を除去するために、放電装置によって粒子状物質を帯電させて捕集する手法は有用である。しかし、排気中の粒子状物質が放電装置の電極に付着すると、該電極におけるリーク電流が増加し、粒子状物質の帯電のための消費電力量が変動したり大きくなったりする虞がある。

本発明では、上記した問題に鑑み、内燃機関の排気浄化装置において、排気中の粒子状物質を帯電させて除去するにあたり、消費電力量を可及的に抑制することを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、排気中の粒子状物質への帯電を行う粒子状物質凝集手段の温度に着目した。粒子状物質凝集手段の温度を排気温度を利用して上昇させることで、粒子状物質凝集手段に付着した粒子状物質を酸化除去し、リーク電流の増加を抑制することが可能となるからである。

詳細には、本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段と、前記粒子状物質捕集手段を通った排気中の粒子状物質を帯電させることで、粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質凝集手段と、前記粒子状物質凝集手段に流れ込む排気の温度を上昇させる排気温度上昇手段と、を備える。

上記の内燃機関の排気浄化装置においては、粒子状物質捕集手段によって排気中の粒子状物質が捕集される。ここで、粒子状物質捕集手段による排気浄化に加えて、粒子状物質凝集手段による排気浄化も行われる。この粒子状物質凝集手段による排気浄化は、粒子状
物質に対して電荷を与えて帯電させ、排気中の粒子状物質同士を電気的に結合させる。これにより粒子状物質の粒径が大きくなり、排気中の粒子状物質数が減少する。

しかし、粒子状物質凝集手段に排気中の粒子状物質が付着すると、粒子状物質に電荷を与える電極でのリーク電流が上昇する。このことは、粒子状物質を帯電させる際の消費電力量が上昇することを意味している。そこで、本発明では、上記の排気温度上昇手段を設けることで、粒子状物質凝集手段に流れ込む排気温度を上昇させて該粒子状物質凝集手段に粒子状物質が付着するのを抑制し、または付着した粒子状物質を酸化除去する。これにより、粒子状物質凝集手段でのリーク電流の上昇を抑制することが可能となり、以て排気中の粒子状物質を帯電させて除去する際の消費電力量を可及的に抑制し得る。

尚、排気温度上昇手段による排気温度の上昇は、常時行う必要はなく、所定間隔で定期的に行う等、粒子状物質凝集手段における粒子状物質の付着程度に応じて適宜行えばよい。

ここで、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質凝集手段は、前記粒子状物質捕集手段の下流側に設けられてもよい。このようにすることで、粒子状物質凝集手段は、粒子状物質捕集手段をすり抜けた粒子状物質に対してのみ帯電を行うことになり、電荷を与える粒子状物質量が比較的少なくて済むため、帯電の際の消費電力量を抑制することが可能となる。

ここで、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記粒子状物質凝集手段の劣化を判定する劣化判定手段を、更に備え、前記排気温度上昇手段は、前記劣化判定手段によって前記粒子状物質凝集手段が劣化していると判定されるとき該粒子状物質凝集手段に流れ込む排気の温度を上昇させるようにしてもよい。

劣化判定手段は、粒子状物質凝集手段が劣化することで粒子状物質に電荷を与える際のリーク電流が上昇しているか否かを判定する。換言すると、劣化判定手段は、粒子状物質凝集手段に粒子状物質が付着しリーク電流が上昇しているか否かを判定する。このようにすることで、排気温度上昇手段による排気温度の上昇を適切なタイミングで行うことが可能となり、温度上昇に伴うエネルギー消費を抑制し得る。

そして、前記劣化判定手段は、前記粒子状物質凝集手段に流れ込む排気に含まれる粒子状物質量を検出し又は推定し、その検出された又は推定された粒子状物質量が所定量を超えたとき該粒子状物質凝集手段が劣化していると判定してもよい。即ち、粒子状物質凝集手段に付着し得る粒子状物質量を排気中の粒子物質量に関連づけて検出または推定することで、粒子状物質凝集手段の劣化によるリーク電流の上昇を検出または推定するものである。従って、前記所定量とは、粒子状物質凝集手段が劣化していると判定されるときの、排気中の粒子状物質の閾値である。

また、前記劣化判定手段は、前記粒子状物質凝集手段におけるリーク電流を検出し又は推定し、その検出された又は推定されたリーク電流値が所定値を超えたとき該粒子状物質凝集手段が劣化していると判定してもよい。即ち、粒子状物質凝集手段でのリーク電流をイオン電流等で直接、検出または推定することで、該粒子状物質凝集手段の劣化を判定するものである。従って、前記所定値とは、粒子状物質凝集手段が劣化していると判定されるときの、リーク電流の閾値である。

内燃機関の排気浄化装置において、排気中の粒子状物質を帯電させて除去するにあたり、消費電力量を可及的に抑制することが可能となる。

ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る排気浄化装置が適用される内燃機関１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。内燃機関１は、４つの気筒２を有する圧縮着火式内燃機関である。また、気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。燃料噴射弁３は、所定圧に加圧された燃料を貯留する蓄圧室４と接続されている。内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、吸気ポートを介して燃焼室に接続される。同様に、内燃機関１には排気枝管１２が接続され、排気枝管１２の各枝管は排気ポートを介して燃焼室に接続される。ここで、吸気ポートおよび排気ポートには、各々吸気弁および排気弁が設けられている。

また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。吸気管８の上流部には吸気管８を流れる吸入空気量を検出するエアフローメータ９が設けられ、更にその下流には、吸気管８内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁１０が設けられている。この吸気絞り弁１０には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１０を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１１が取り付けられている。

吸気絞り弁１０の上流側の吸気管８には、排気のエネルギーを駆動源として作動する過給機１６のコンプレッサ側が設けられ、排気枝管１２には過給機１６のタービン側が設けられている。過給機１６は過給圧によって排気流量を調節するアクチュエータを持つ排気過給機（一般的なターボチャージャー）か、いわゆる可変容量型過給機である。可変容量型過給機は、その内部に可動式のノズルベーンを有し、該ノズルベーンの開度を調整することで、過給機１６による過給圧が制御される。過給機１６より下流であって吸気絞り弁１０の上流の吸気管８には、過給機１６によって加圧されて高温となった吸入空気を冷却するためのインタークーラ１５が設けられている。

また、過給機１６のタービン側は、排気管１３と接続され、この排気管１３は、下流にてマフラー４２に接続されている。そして、排気管１３の途中には、酸化機能を有する酸化触媒１４と、その下流側に排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ１８が設けられている。また、酸化触媒１４の上流の排気管１３には、排気中に燃料を添加する燃料添加弁１７が備えられている。

更に、フィルタ１８の下流側の排気管１３には、フィルタ１８をすり抜けた排気に含まれる粒子状物質に対して電荷を与える放電装置の電極４０が設けられており、電極４０は電源４１から電荷の供給を受けている。放電装置は排気中の粒子状物質を放電により帯電させるための装置である。そして、放電装置の電極４０によって排気中の粒子状物質が帯電させられると、該粒子状物質同士が電気的に結合し、その粒径が大きくなり、マフラー４２内の微粒子状物質捕集材によって捕集される。

また、内燃機関１には、ＥＧＲ装置２１が設けられている。ＥＧＲ装置２１は排気枝管１２を流れる排気の一部を吸気枝管７へ再循環させる。ＥＧＲ装置２１は、排気枝管１２（上流側）から吸気枝管７（下流側）へ延出しているＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲ通路２２上に上流側から順に設けられたＥＧＲガス冷却用のＥＧＲクーラ２３と、ＥＧＲガスの流量調整用のＥＧＲ弁２４と、から構成される。

ここで、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「
ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

燃料噴射弁３は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御される。また、燃料添加弁１７、ＥＧＲ弁２４、過給機１６のノズルベーンも、ＥＣＵ２０からの指令に従って制御される。更に、放電装置の電源４１から電極４０への電荷の供給も、ＥＣＵ２０によって制御されている。

また、クランクポジションセンサ３０がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、各気筒２におけるピストン位置等を検出する。アクセル開度センサ３３もＥＣＵと電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関負荷等を検出する。更に、フィルタ１８の上流側に排気温度を検出する排気温度センサ３１と、フィルタ１８の下流側に排気中のスモーク濃度を検出するスモーク濃度センサ３２がそれぞれ設けられ、ＥＣＵ２０と電気的に接続されている。

このように構成される内燃機関１の排気浄化システムにおいては、フィルタ１８によって排気中の粒子状物質が捕集される。それとともに、フィルタ１８のすり抜けた微粒子状物質に対しては、放電装置の電極４０から電荷が与えられることで帯電させられ、その粒径が増大する。そして、その粒子状物質は、マフラー４２内の粒子状物質捕集材に捕集されることで、粒子状物質が大気へ放出されるのが抑制される。

ここで、放電装置の電極４０が曝される排気はフィルタ１８を通ってきた排気とはいえども、その排気中には粒子状物質が若干含まれている。そして、電極４０はそれらの粒子状物質に電荷を与えるが、排気中の粒子状物質の一部が電極４０に付着する場合がある。電極４０に粒子状物質が付着するとリーク電流が増加し、放電を発生するために要する消費電力量が増加する。

消費電力量の増加を抑制するためには、電極４０において発生するリーク電流を抑制すべく、電極４０に流れ込む排気の温度を上昇させて電極４０に付着した粒子状物質を酸化除去させる必要がある。そこで、図２に、リーク電流の増加を抑制し放電発生のための消費電力量を抑制する制御（以下、「リーク電流抑制制御」という。）のフローチャートを示す。尚、本実施例におけるリーク電流抑制制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。

Ｓ１０１では、放電装置によって放電を発生させ、フィルタ１８をすり抜けた粒子状物質を凝集させて、マフラー４２において凝集させられた粒子状物質を捕集する。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、電極４０に流れ込む排気中の粒子状物質（ＰＭ）量を、スモークセンサ３２の検出値に基づいて、検出する。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、Ｓ１０２で検出された排気中の粒子状物質量に基づいて、電極４０に付着する粒子状物質積算量Σを算出する。具体的には、スモークセンサ３２によって検出されるスモーク濃度と、電極４０に付着する粒子状物質量との関係を予め実験で確認しておき、その両者の関係に基づいて電極４０に付着する粒子状物質積算量Σを算出する。

電極４０に付着する粒子状物質積算量Σの算出に当たっては、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態の履歴や、排気温度センサ３１によって検出される排気温度、吸気中のＥＧＲ量の割合（ＥＧＲ弁２４の開度から算出が可能である。）等に基づいて、排気中に含まれる粒子状物質量を推定して、その推定値に基づいて電極４０に付着する粒子状物質積算量Σを算出してもよい。例えば、内燃機関１を搭載する車輌の走行距離や、走行中の負荷の推移に基づいて、発生し電極４０に付着する粒子状物質積算量Σを算出する。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出された粒子状物質積算量Σが、基準量Σ０より多いか否かが判定される。ここで、基準量Σ０は、リーク電流が大きくなり放電発生の際の消費電力量が大きくなると判定されるときの、電極４０に付着する粒子状物質の量である。即ち、Ｓ１０４においては、放電装置の電極４０が劣化し効率的に放電を発生させることが困難となっているか否かが判定される。粒子状物質積算量Σが基準量Σ０より多いと判定されると、電極４０は劣化していることを意味しＳ１０５へ進む。一方、粒子状物質積算量Σが基準量Σ０より多くないと判定されると、電極４０は劣化していないことを意味しＳ１０７へ進む。

Ｓ１０５では、実行していた放電装置による放電の発生を中断する。これは、後述するＳ１０６での排気温度の上昇によって、放電を効率的に発生させることが困難となるからである。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。

Ｓ１０６では、放電装置の電極４０に付着した粒子状物質を酸化除去するために、電極４０に流れ込む排気の温度を上昇させる。具体的には、内燃機関１における燃料噴射弁３からの燃料噴射時期を遅角側に移行したり、圧縮行程上死点近傍で行われる主噴射後に新たに後噴射を行ったりすることで排気温度を上昇させる。また、燃料添加弁１７から燃料を排気中に添加し、酸化触媒による酸化作用で排気温度を上昇させてもよい。また、過給機１６のノズルベーン開度を調整し、過給機１６での仕事量を低減させることで、電極４０に流れ込む排気の温度を上昇させてもよい。Ｓ１０６の処理後、本制御を終了する。

また、Ｓ１０７では、実行している放電装置による放電の発生を継続するか、もしくは放電発生を中断しているときはその再開を行う。Ｓ１０７の処理後、本制御を終了する。

本制御によると、電極４０に粒子状物質が付着しリーク電流が増加すると判定されると、即ち電極４０が劣化していると判定されると排気温度が上昇させられて、粒子状物質の酸化除去が行われる。これによって、電極４０でのリーク電流が低減し、消費電力量の少ない放電発生が可能となる。

尚、図２に示すリーク電流抑制制御では、電極４０にΣ０を超える量の粒子状物質が付着したとき排気温度の上昇が行われるが、それに限らず、一定の間隔毎に定期的に上述した排気温度の上昇を行ってもよい。また、フィルタ１８に捕集された粒子状物質を酸化除去するいわゆるフィルタ１８の再生時には、フィルタ１８に捕集された粒子状物質が酸化除去されるため、その際に発生する熱エネルギーを利用して電極４０に付着した粒子状物質を酸化除去してもよい。

次に、図１に示す内燃機関１の排気浄化装置において行うリーク電流抑制制御の別の実施例について、図３に基づいて説明する。尚、本実施例におけるリーク電流抑制制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。また、図３において、図２に示す着火時期制御と同一の処理については、同一の参照番号を付することで詳細な説明は省略する。

本実施例においては、Ｓ１０１の処理が終了するとＳ２０１へ進む。Ｓ２０１では、放電発生時のリーク電流値ＩＬが、電源４１からの信号に基づいて検出される。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、Ｓ２０１で検出されたリーク電流値ＩＬが、基準電流値ＩＬ０を超えているか否かが判定される。ここで、基準電流値ＩＬ０は、リーク電流が大きくなり放電発生の際の消費電力量が大きくなると判定されるときの、電極４０に流れるリーク電流である。即ち、Ｓ２０２においては、放電装置の電極４０が劣化し効率的に放電を発生させることが困難となっているか否かが判定される。電流値ＩＬが基準電流値ＩＬ０を超えていると判定されると、電極４０は劣化していることを意味しＳ１０５へ進む。一方、電流値ＩＬが基準電流値ＩＬ０を超えていないと判定されると、電極４０は劣化していないことと意味しＳ１０７へ進む。

本制御によると、リーク電流が増加していると判定されると、即ち電極４０が劣化していると判定されると排気温度が上昇させられて、粒子状物質の酸化除去が行われる。これによって、電極４０でのリーク電流が低減し、消費電力量の少ない放電発生が可能となる。

本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を表す図である。 本発明の実施例１に係る内燃機関の排気浄化装置において行われるリーク電流抑制制御に関するフローチャートである。 本発明の実施例２に係る内燃機関の排気浄化装置において行われるリーク電流抑制制御に関するフローチャートである。

符号の説明

１・・・・内燃機関
１３・・・・排気管
１４・・・・酸化触媒
１６・・・・過給機
１７・・・・燃料添加弁
１８・・・・フィルタ
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・ＥＧＲ装置
２４・・・・ＥＧＲ弁
３０・・・・クランクポジションセンサ
３１・・・・排気温度センサ
３２・・・・スモーク濃度センサ
３３・・・・アクセル開度センサ
４０・・・・電極
４１・・・・電源
４２・・・・マフラー

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集手段と、
   前記粒子状物質捕集手段を通った排気中の粒子状物質を帯電させることで、粒子状物質を凝集しその粒径を大きくする粒子状物質凝集手段と、
   前記粒子状物質凝集手段に流れ込む排気の温度を上昇させる排気温度上昇手段と、
   を備え、
   前記排気温度上昇手段によって排気の温度が上昇されるとき、前記粒子状物質凝集手段による前記粒子状物質の帯電は中断されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記粒子状物質凝集手段は、前記粒子状物質捕集手段の下流側に設けられ、
   前記粒子状物質捕集手段によって捕集された粒子状物質の酸化除去を行う該粒子状物質捕集手段の再生時に発生する熱エネルギーで、前記排気温度上昇手段は排気温度の上昇を行う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装置。
3. 前記粒子状物質凝集手段の劣化を判定する劣化判定手段を、更に備え、
   前記排気温度上昇手段は、前記劣化判定手段によって前記粒子状物質凝集手段が劣化していると判定されるとき該粒子状物質凝集手段に流れ込む排気の温度を上昇させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記劣化判定手段は、前記粒子状物質凝集手段に流れ込む排気に含まれる粒子状物質量を検出し又は推定し、その検出された又は推定された粒子状物質量が所定量を超えたとき該粒子状物質凝集手段が劣化していると判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記劣化判定手段は、前記粒子状物質凝集手段におけるリーク電流を検出し又は推定し、その検出された又は推定されたリーク電流値が所定値を超えたとき該粒子状物質凝集手段が劣化していると判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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