KR20160112985A - 내연 기관의 배기 처리 장치 및 배기 처리 방법 - Google Patents

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KR20160112985A
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고스케 야마모토
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

내연 기관용 배기 처리 장치로서, 상기 배기 처리 장치는,
배기 처리부이며, 상기 배기 처리부는 상기 내연 기관의 배기 통로에 배치되고, 상기 배기 통로는 i) 상기 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가, 배기 박리 영역에서 상기 벽면 부분으로부터 박리되고, ii) 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 배기가 상기 배기 처리부에 대해 치우쳐서 유입되거나 또는 배기의 상기 배기 처리부에의 유입량이 감소하도록 구성되는 배기 처리부 및
플라즈마 액추에이터이며, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분에 배치되고, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 통로 내의 배기에, 상기 벽면 부분을 따른 상기 배기 처리부측에의 기류를 발생시킨다.

Description

내연 기관의 배기 처리 장치 및 배기 처리 방법{EXHAUST GAS TREATMENT APPARATUS AND EXHAUST GAS TREATMENT METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관으로부터 배출되는 배기를 처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
차량을 컴팩트화시키고자 하면, 차량에 탑재되는 보조 기계류의 설치 스페이스에 제약이 발생하여, 각종 배관 경로 등도 크게 굴곡시키지 않으면 안된다. 예를 들어, 차량에 탑재된 내연 기관으로부터 배출되는 배기를 유도하는 배기 통로에는, 과급기의 배기 터빈이나, 배기 정화 장치의 촉매 컨버터나, 소음기 등이 밀하게 배치되므로, 이들을 접속하는 배기관을 크게 굴곡시킬 필요가 발생한다.
그런데, 배기 정화 장치의 촉매 컨버터의 통로 단면적은, 배기의 정화 효율을 높이기 위해 배기관의 통로 단면적에 대해 수배 정도에 도달하는 경우가 있다. 이와 같은 촉매 컨버터의 정화 성능을 최대한 유효로 하기 위해서는, 여기에 유입되는 배기를 촉매 컨버터의 단부면 전역으로 확산시켜 배기의 공간 속도를 낮게 하는 것이 필요하다. 이로 인해, 촉매 컨버터를 수용하는 대직경의 케이싱과, 이에 접속하는 소직경의 배기관은, 배기 확산용 콘으로 호칭되는 테이퍼 형상의 부재를 통하여 연결된다.
그러나, 상술한 차량의 콤팩트화에 수반하여, 테이퍼 형상의 부재의 치수가 매우 짧아지는 경향이 있다. 또한, 배기관으로부터 이 테이퍼 형상의 부재에 유입되는 배기의 흐름 방향에 대해, 촉매 컨버터를 통과하는 배기의 흐름 방향이 크게 달라져버리는 경우도 적지 않다. 이와 같은 경우, 소직경의 배기관으로부터 테이퍼 형상의 부재를 통하여 촉매 컨버터로 배기 통로의 벽면을 따라서 유동하는 배기가 배기관과 테이퍼 형상의 부재와의 접속 부분에서 배기 통로의 벽면으로부터 박리되어 버린다. 결과적으로, 테이퍼 형상의 부재를 통과하는 배기가 그다지 확산되지 않고 촉매 컨버터의 일부 영역에만 유입되어, 이 촉매 컨버터의 정화 성능을 최대한 유효하게 할 수 없게 되어 버린다.
이와 같은 문제를 해소하기 위해, 촉매 컨버터의 입구측이 되는 배기관 내에 루버 부재를 끼워넣어 배기의 흐름 방향을 강제적으로 확산시키도록 한 기술이 일본 특허 공개 제2012-193719에서 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2012-193719에 개시된 바와 같은 루버 부재를 배기 통로에 끼워넣은 경우, 통로 저항이 증대할 뿐만 아니라 내연 기관의 난기 시에 루버 부재가 배기에 포함되는 열을 흡수하는 결과, 난기 종료까지의 시간이 연장되어 연비의 악화를 초래한다.
본 발명은, 배기관으로부터 촉매 컨버터에의 배기의 흐름 방향이 급격하게 굴곡되는 구성이어도, 일본 특허 공개 제2012-193719와 같은 통로 저항을 증대시키지 않고, 배기를 촉매 컨버터의 전역으로 확산시킬 수 있는 배기 처리 장치 및 배기 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 배기관의 급격한 굴곡에 의해 배기 처리부에의 배기의 유입량이 감소하게 되는 경우라도, 통로 저항을 증대시키지 않고, 배기의 유입량의 저감을 적어도 저지할 수 있는 배기 처리 장치 및 배기 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 형태에 있어서의, 내연 기관용 배기 처리 장치로서, 상기 배기 처리 장치는,
배기 처리부이며, 상기 배기 처리부는 상기 내연 기관의 배기 통로에 배치되고, 상기 배기 통로는 i) 상기 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가, 배기 박리 영역에서 상기 벽면 부분으로부터 박리되고, ii) 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 배기가 상기 배기 처리부에 대해 치우쳐서 유입되거나 또는 배기의 상기 배기 처리부에의 유입량이 감소하도록 구성되는 배기 처리부 및
플라즈마 액추에이터이며, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분에 배치되고, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 통로 내의 배기에, 상기 벽면 부분을 따른 상기 배기 처리부측에의 기류를 발생시킨다.
본 발명에 있어서는, 플라즈마 액추에이터가 작동하면, 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분을 따라서 배기 처리부측에 기류가 발생한다. 이에 의해, 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분을 따라서 유동하는 배기가 이 기류에 끌려다녀 배기 통로의 벽면 부분으로부터 박리되지 않고 유동하고, 배기 처리부에 대해 확산 상태로 유입되거나 또는 배기 처리부에의 배기의 유입량의 감소가 억제된다.
본 발명에 의한 내연 기관의 배기 처리 장치에 있어서, 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분은, 배기의 흐름 방향을 따른 그 단면 형상이 볼록 만곡면을 포함하는 것이어도 된다.
내연 기관의 배기 처리 장치가 배기 통로를 흐르는 배기의 유량을 취득하기 위한 수단과, 플라즈마 액추에이터에 대한 투입 에너지양을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 구비하고, 배기 처리부가 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터를 포함하고, 컨트롤러는, 취득한 배기의 유량이 많을수록 플라즈마 액추에이터에 대한 투입 에너지양을 보다 크게 제어하는 것이어도 된다. 이 경우, 내연 기관의 배기 처리 장치가 촉매 컨버터의 온도를 취득하기 위한 수단을 더 구비하고, 취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도 이상인 경우, 컨트롤러는 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하는 것이 바람직하다. 또한, 플라즈마 액추에이터에 투입되는에너지양의 제어 형태로서는, 인가 전압이나 구동 주파수의 변경을 들 수 있다.
배기 처리부가 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터를 포함하고, 이 내연 기관의 배기 처리 장치가 촉매 컨버터의 온도를 취득하기 위한 수단과, 플라즈마 액추에이터에 대한 투입 에너지양을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 구비하고, 이 컨트롤러는, 취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도 이상인 경우, 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하는 것이어도 된다.
취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 상한 온도 이하인 경우, 컨트롤러는 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 말하는 촉매 컨버터의 상한 온도란, 열에 의한 촉매 컨버터의 열화나 용손 등이 생기지 않는 최고 온도를 의미하고 있다. 따라서, 이 상한 온도를 초과하면 촉매 컨버터의 열화나 용손 등이 시작된다고 해석할 수 있을 것이다.
배기의 흐름 방향을 따라서 촉매 컨버터의 일부를 둘러싸는 통 형상의 단열 구획부를 촉매 컨버터에 형성할 수 있다. 이 단열 구획부에 의해 둘러싸인 영역은, 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써 배기가 치우쳐서 유입되는 영역인 것이 바람직하다. 취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도보다도 낮은 경우, 배기의 대부분을 단열 구획부에 의해 둘러싸인 영역으로 유도하도록 해도 된다. 이 경우, 단열 구획부의 배기의 흐름 방향을 따른 길이를 촉매 컨버터의 배기의 흐름 방향을 따른 길이보다도 짧게 하고, 배기의 흐름 방향을 따른 단열 구획부의 상류측 단부를 배기의 흐름 방향을 따른 촉매 컨버터의 상류측 단부에 위치시키는 것이 바람직하다.
또한, 이 명세서에 있어서, 「상류」 또는 「상류측」이라고 하는 기술은, 내연 기관의 연소실에 가까워지는 쪽을 의미하고, 반대로 「하류」 또는 「하류측」이라고 하는 기술은, 내연 기관의 연소실로부터 멀어지는 쪽을 의미한다.
단열 구획부를 공기층으로 형성할 수 있다.
취득되는 촉매 컨버터의 온도는, 소경부로부터의 배기가 배기 박리 영역에 의해 유입하게 되는 영역과는 다른 영역의 온도인 것이 바람직하다.
내연 기관의 배기 처리 장치가 배기 중에 포함되는 미립자를 포착하기 위한 파티큘레이트 필터를 더 구비하고, 이 파티큘레이트 필터는 촉매 컨버터보다도 하류측에 배치되는 것이 바람직하다.
배기의 흐름 방향을 따라서 연장되는 구획벽에 의해 2개로 분기한 것 중 한쪽의 배기 통로에 배기 처리부를 배치하고, 이 배기 처리부는, 한쪽의 배기 통로를 흐르는 배기와 내연 기관의 냉각수 사이에서 열교환을 행하기 위한 배열 회수기를 포함할 수 있다. 이 경우, 배기 박리 영역은 배기 통로의 분기 부분에 위치하고, 이 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 한쪽의 배기 통로에의 배기의 유입량을 감소시킨다. 또한, 내연 기관의 배기 처리 장치는 내연 기관의 냉각수 온도를 취득하는 수온 센서를 더 구비하고, 취득한 냉각수의 온도가 미리 설정한 온도보다도 낮은 경우, 컨트롤러는 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하는 것이 바람직하다.
구획벽에 대해 수직인 방향을 따른, 한쪽의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분으로부터 구획벽까지의 간격을, 구획벽에 대해 수직인 방향을 따른, 한쪽의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분으로부터 분기 직전의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면까지의 간격보다도 짧게 설정하는 것이 바람직하다.
배기 처리부를 배기 통로를 따라서 직렬로 복수 배치하고, 상류측의 배기 처리부가 상술한 촉매 컨버터를 포함하고, 하류측의 배기 처리부가 상술한 배열 회수기를 포함하는 것이어도 된다.
본 발명의 제2 형태에 있어서의 내연 기관용 배기 처리 방법으로서,
상기 내연 기관의 배기 통로는 상기 내연 기관으로부터의 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터보다도 상류측의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가, 배기 박리 영역에서 상기 벽면 부분으로부터 박리됨으로써, 배기가 상기 배기 통로에 배치되는 배기 처리부에 대해 치우쳐서 유입되도록 구성되고,
플라즈마 액추에이터이며, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분에 배치되고, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 통로 내의 배기에, 상기 배기 통로의 벽면을 따른 기류를 생성시키도록 구성되며,
상기 배기 처리 방법은,
상기 촉매 컨버터의 온도를 취득하는 단계와,
취득한 촉매 컨버터의 온도가 이 촉매 컨버터의 활성 하한 온도 이상인 경우에 상기 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하는 단계이다.
본 발명의 제3 형태에 있어서의 내연 기관용 배기 처리 방법으로서,
상기 내연 기관의 배기 통로는 상기 내연 기관으로부터의 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터보다도 상류측의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가, 배기 박리 영역에서 상기 벽면 부분으로부터 박리됨으로써, 배기가 상기 촉매 컨버터에 대해 치우쳐서 유입되도록 구성되고,
플라즈마 액추에이터이며, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분에 배치되고, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 통로 내의 배기에, 상기 배기 통로의 벽면을 따른 기류를 생성시키도록 구성되며,
상기 배기 처리 방법은,
배기 유량을 취득하는 단계와,
취득한 배기 유량이 많을수록 보다 큰 에너지를 상기 플라즈마 액추에이터에 부여해서 배기를 상기 촉매 컨버터에 대해 확산시킨 상태로 유입시키는 단계이다.
본 발명의 제3 형태에 의한 내연 기관의 배기 처리 방법에 있어서, 촉매 컨버터의 온도를 취득하고, 취득한 촉매 컨버터의 온도가 이 촉매 컨버터의 활성 하한 온도 이상인 경우, 배기를 촉매 컨버터에 대해 확산시킨 상태로 유입시키는 스텝을 실행하는 것이 바람직하다.
배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분은, 배기의 흐름 방향을 따른 그 단면 형상이 볼록 만곡면을 포함하는 것이어도 된다.
배기의 흐름 방향을 따라서 촉매 컨버터의 일부를 둘러싸는 통 형상의 단열 구획부를 촉매 컨버터에 형성해도 된다. 이 단열 구획부에 의해 둘러싸인 영역은, 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 배기가 치우쳐서 유입되는 영역이 된다.
본 발명의 제4 형태는, 배기의 흐름 방향을 따라서 연장되는 구획벽에 의해 배기 통로가 2개로 분기하고, 분기한 한쪽의 배기 통로에 이 한쪽의 배기 통로를 흐르는 배기와 내연 기관의 냉각수 사이에서 열교환을 행하기 위한 배열 회수기가 배치되고, 배기의 일부가 상기 한쪽의 배기 통로에 유입될 때에 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가 이 벽면 부분으로부터 박리됨으로써, 한쪽의 배기 통로에의 배기의 유입량을 감소시키는 배기 박리 영역을 상기 배기 통로의 분기 부분에 갖고, 이 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분에 이 배기 통로의 벽면을 따른 기류를 생성시키는 플라즈마 액추에이터를 배치해서 당해 배기 통로의 벽면으로부터의 배기의 박리를 억제하도록 한 내연 기관의 배기 처리 방법이며, 내연 기관의 냉각수 온도를 취득하는 스텝과, 취득한 냉각수의 온도가 미리 설정한 온도보다도 낮은 경우, 상기 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 부여해서 상기 한쪽의 배기 통로에의 배기의 유입을 촉진시키는 스텝을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제4 형태에 의한 내연 기관의 배기 처리 방법에 있어서, 구획벽에 대해 수직인 방향을 따른, 한쪽의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분으로부터 구획벽까지의 간격을, 구획벽에 대해 수직인 방향을 따른, 한쪽의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분으로부터 분기 직전의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면까지의 간격보다도 짧게 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 내연 기관의 배기 처리 장치에 의하면, 플라즈마 액추에이터에 의해 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분으로부터 배기를 박리시키지 않고, 이 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분을 따라서 유동시킬 수 있다. 결과적으로 배기 박리 영역으로부터 배기 처리부에 유입되는 배기를 확산시키고, 배기 처리부의 전역으로 통로 저항의 증대없이 유입시킬 수 있다. 혹은, 배기 처리부에의 배기의 유입량의 감소를 억제 또는 저지하거나, 배기 처리부에의 배기의 유입량을 증대시킬 수 있다.
플라즈마 액추에이터가 배치되는 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분의 배기의 흐름 방향을 따른 단면 형상이 볼록 만곡면을 포함하는 경우, 본 발명의 효과를 현저하게 얻을 수 있다.
배기 처리부가 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터를 포함하는 경우, 취득한 배기의 유량이 많을수록 플라즈마 액추에이터에 대한 투입 에너지양을 크게 제어함으로써, 배기를 항상 촉매 컨버터의 전역으로 유입시킬 수 있다.
취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도 이상인 경우에만 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입함으로써, 플라즈마 액추에이터가 불필요한 에너지 소비를 회피할 수 있다. 게다가, 촉매 컨버터의 일부를 보다 신속하게 활성 하한 온도 이상으로 승온시키고, 내연 기관의 난기 시에서의 배기의 정화를 촉진시키는 것이 가능하게 된다.
취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 상한 온도 이하인 경우에만 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입함으로써, 플라즈마 액추에이터가 불필요한 에너지 소비를 회피할 수 있다.
촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도보다도 낮은 경우에만 배기의 대부분을 단열 구획부에 의해 둘러싸인 촉매 컨버터의 영역으로 유도함으로써, 플라즈마 액추에이터가 불필요한 에너지 소비를 회피할 수 있다. 게다가, 촉매 컨버터의 일부를 보다 신속하게 활성 하한 온도 이상으로 승온시키고, 내연 기관의 난기 시에서의 배기의 정화를 촉진시키는 것이 가능하게 된다.
단열 구획부의 길이를 촉매 컨버터의 길이보다도 짧게 하고, 단열 구획부의 상류측 단부를 촉매 컨버터의 상류측 단부에 위치시킨 경우, 난기 시에는 단열 구획부에 의해 둘러싸인 촉매 컨버터의 영역만을 사용해서 내연 기관의 난기를 빠르게 할 수 있다. 또한, 난기 시 이외에는 촉매 컨버터의 전역을 유효하게 사용하는 것이 가능하게 된다.
단열 구획부를 공기층으로 형성하는 경우, 단열 구획부는 단순한 공극이면 되므로, 단열 구획부를 촉매 컨버터에 매우 용이하게 형성할 수 있다.
소경부로부터의 배기가 배기 박리 영역에 의해 유입하게 되는 영역과는 다른 촉매 컨버터의 영역 온도를 취득한 경우, 이 영역을 포함하는 촉매 컨버터의 통로 단면 전체가 활성 하한 온도 이상이라고 추정할 수 있다.
배기 중에 포함되는 미립자를 포착하기 위한 파티큘레이트 필터를 촉매 컨버터의 하류측에 배치한 경우, 촉매 컨버터의 난기를 촉진시킬 수 있다. 게다가, 배기에 포함되는 그을음이 플라즈마 액추에이터의 작동에 의해 산화되므로, 촉매 컨버터를 통해서 파티큘레이트 필터에 유입되는 배기에 포함되는 그을음의 양이 적어져, 파티큘레이트 필터의 재생 처리의 빈도를 낮추는 것이 가능하게 된다.
구획벽에 의해 2개로 분기한 배기 통로의 한쪽에 배기 처리부를 배치하고, 이 한쪽의 배기 통로를 흐르는 배기와 내연 기관의 냉각수 사이에서 열교환을 행하기 위한 배열 회수기를 포함하는 경우, 내연 기관의 냉각수 승온 속도를 빠르게 하여 난기에 필요로 하는 시간을 단축화시킬 수 있다.
취득한 냉각수의 온도가 미리 설정한 온도보다도 낮은 경우, 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입함으로써, 플라즈마 액추에이터가 불필요한 에너지 소비를 회피할 수 있다.
한쪽의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분으로부터 구획벽까지의 간격을, 한쪽의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분으로부터 분기 직전의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면까지의 간격보다도 짧게 설정한 경우, 내연 기관의 난기 종료 후에 배열 회수기측에 배기의 일부를 유입시키기 어렵게 할 수 있다. 이에 의해, 냉각수의 불필요한 온도 상승을 억제하는 것이 가능하게 된다.
배기 처리부를 배기 통로를 따라서 직렬로 복수 배치하고, 상류측의 배기 처리부가 촉매 컨버터를 포함하고, 하류측의 배기 처리부가 배열 회수기를 포함하는 경우, 내연 기관의 난기 시에 촉매 컨버터의 조기 활성화와 조기 난기 종료를 달성할 수 있다.
본 발명의 제2 형태의 내연 기관의 배기 처리 방법에 의하면, 촉매 컨버터의 온도가 활성 하한 온도 이상인 경우, 플라즈마 액추에이터에 에너지를 투입하도록 했으므로, 불필요한 에너지의 소비를 억제할 수 있다.
본 발명의 제3 형태의 내연 기관의 배기 처리 방법에 의하면, 배기 박리 영역으로부터 촉매 컨버터에 유입되는 배기를 그 유량에 관계없이 확산시켜 배기 처리부의 전역으로 통로 저항의 증대없이 유입시킬 수 있다.
본 발명의 제4 형태의 내연 기관의 배기 처리 방법에 의하면, 냉각수의 온도가 낮은 경우에 플라즈마 액추에이터에 에너지를 투입하도록 했으므로, 냉각수의 승온 속도를 빠르게 하여 내연 기관의 난기에 필요로 하는 시간을 단축화시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 장점과 기술적 및 산업적인 의의는 동일한 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면을 참조로 후술될 것이다.
도 1은 본 발명을 압축 점화 방식의 다기통 내연 기관이 탑재된 차량에 응용한 일 실시 형태의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시한 실시 형태에 있어서의 주요부의 제어 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시한 실시 형태에 있어서의 배기 처리부의 추출 확대 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 제1 배기 박리 영역의 일부를 또한 추출 확대해서 모식적으로 나타내는 전기 회로 구성도이다.
도 5는 배기 유량과 플라즈마 액추에이터에 대한 인가 전압과의 관계를 모식적으로 나타내는 맵이다.
도 6은 촉매 컨버터의 온도 변화를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 배기 처리부의 추출 확대 단면도이다.
도 8은 촉매 컨버터에 관한 플라즈마 액추에이터에 대한 제어 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 배열 회수기를 위한 플라즈마 액추에이터에 대한 제어 수순을 나타내는 흐름도이다.
본 발명을 압축 점화 방식의 다기통 내연 기관이 탑재된 차량에 적용한 일 실시 형태에 대해, 도 1 내지 도 9를 참조하면서 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 실시 형태에만 한정되지 않고, 요구되는 특성에 따라서 그 구성을 자유롭게 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 가솔린이나 알코올 또는 LNG(액화 천연 가스) 등을 연료로 하여 이를 점화 플러그로 착화시키는 불꽃 점화 방식의 내연 기관에 대해서도 본 발명은 유효하다.
본 실시 형태에 있어서의 엔진 시스템의 주요부를 모식적으로 도 1에 도시하고, 그 주요부의 제어 블록을 개략적으로 도 2에 도시한다. 또한, 도 1에는 엔진(10)의 보조 기계로서 일반적인 배기 터보식 과급기나 EGR 장치 등이 생략되어 있다. 또한, 엔진(10)의 원활한 운전을 위해 필요하게 되는 각종 센서류도 그 일부가 편의적으로 생략되어 있는 것에 주의하길 바란다.
본 실시 형태에 있어서의 엔진(10)은, 연료인 경유 또는 바이오 연료 혹은 이들 혼합 연료를 연료 분사 밸브(11)로부터 압축 상태에 있는 연소실(10a) 내에 직접 분사함으로써, 자연 착화시키는 자연 착화 방식, 즉 압축 점화식의 다기통 내연 기관이다. 그러나, 본 발명의 특성상, 단기통의 내연 기관이어도 상관없다.
연소실(10a)에 각각 면하는 흡기 포트(12a) 및 배기 포트(12b)가 형성된 실린더 헤드(12)에는, 흡기 포트(12a)를 개폐하는 흡기 밸브(13) 및 배기 포트(12b)를 개폐하는 배기 밸브(14)를 포함하는 이동 밸브 기구가 내장되어 있다. 연소실(10a)의 상단부 중앙에 면하는 상기 연료 분사 밸브(11)는 흡기 밸브(13) 및 배기 밸브(14)에 끼워지도록 실린더 헤드(12)에 부착되어 있다.
실린더 헤드(12)의 흡기 포트(12a)에 접속하는 흡기관(15)은, 흡기 포트(12a)와 함께 흡기 통로(15a)를 구획 형성한다. 흡기관(15)의 상류측에는, 에어플로우미터(16)가 설치되고, 이에 의해 검출된 흡기 유량에 관한 정보가 ECU(17)에 출력된다. 본 실시 형태에서는, 에어플로우미터(16)를 본 발명에 있어서의 배기 유량을 취득하기 위한 수단으로서 사용하고 있지만, 추가의 에어플로우미터를 후술하는 배기 통로(18a)에 설치하거나, 엔진 회전수와 흡기온과 흡기압으로부터 배기 유량을 산출하는 것도 가능하다. 혹은, 배기 유량 대신에 배기 유속을 취득하도록 해도 된다.
본 발명에 있어서의 컨트롤러로서의 ECU(17)는, 주지의 마이크로프로세서에 추가하여, 도시하지 않은 데이터 버스에 의해 상호 접속된 CPU, ROM, RAM, 불휘발성 메모리 및 입출력 인터페이스 등도 포함한다. 본 실시 형태에 있어서의 ECU(17)는, 에어플로우미터(16) 및 후술하는 각종 센서류 등으로부터의 정보에 기초하여, 차량의 운전 상태를 판정하는 운전 상태 판정부(17a)를 갖는다.
배기 포트(12b)에 연통하도록 실린더 헤드(12)에 연결되는 배기관(18)은, 배기 포트(12b)와 함께 배기 통로(18a)를 구획 형성한다. 배기 통로(18a)의 하류 단부측에 배치된 도시하지 않은 소음기보다도 상류측의 배기 통로(18a)에는 배기 정화 장치(19)와, 배열 회수기(20)가 배기 통로(18a)의 상류측으로부터 순서대로 배치되어 있다.
배기 정화 장치(19) 및 배열 회수기(20)의 부분을 추출 확대해서 도 3에 도시하고, 본 실시 형태에 있어서의 플라즈마 액추에이터의 개략 구성을 도 4에 도시한다.
본 실시 형태에 있어서의 배기 정화 장치(19)는, 본 발명에 있어서의 제1 배기 처리부로서의 디젤 산화 촉매 컨버터(DOC:Diesel Oxidation Catalyticconverter)(21)와, 그 하류측에 배치되는 디젤 파티큘레이트 필터(DPF:Diesel Particulate Filter)(22)를 포함한다. 연소실(10a) 내에서의 혼합기의 연소에 의해 생성되는 유해 물질을 무해화하기 위한 DOC(21) 및 배기 중에 포함되는 미립자를 포착하기 위한 DPF(22) 이외의 다른 촉매 컨버터를 배기 정화 장치(19)에 더 추가하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명을 불꽃 점화 방식의 내연 기관에 응용한 경우, DOC(21)를 대신하는 본 발명의 제1 배기 처리부로서는 소형 삼원 촉매가 일반적으로 될 것이다.
DOC(21)의 바로 근방의 배기 통로(18a)의 상류측에는, 제1 배기 박리 영역 Z1이 있다. 이 제1 배기 박리 영역 Z1은, 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e) 부분을 따라서 흐르는 배기가 이 벽면(18e) 부분으로부터 박리되고, 이에 의해 배기를 DOC(21)의 상류측 단부면(21a)에 대해 치우쳐서 유입시키는 영역이다. 통상, 이 제1 배기 박리 영역 Z1은, 배기관(18)의 통로 단면적이 급격하게 증대하는 콘부(18b)의 상류 단부측에 있고, 이 제1 배기 박리 영역 Z1에 있어서의 배기 통로(18a)의 벽면(18e) 부분은, 배기의 흐름 방향을 따른 그 단면 형상이 도 3에 도시하는 바와 같이 볼록 만곡면을 포함한다.
제1 배기 박리 영역 Z1에 있어서의 배기 통로(18a)의 벽면(18e) 부분에는, 당해 벽면(18e) 부분을 따른 DOC(21)측에의 기류를 발생시키기 위한 제1 플라즈마 액추에이터(23)가 배치되어 있다. 이 제1 플라즈마 액추에이터(23)의 원리나 기본적 구성 등에 대해서는 일본 특허 공개 제2012-180799호 공보 등에서 공지하지만, 이하에 간단하게 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 제1 플라즈마 액추에이터(23)는, 제1 전극(23a)군과, 제2 전극(23b)군과, 유전체층(23c)과, 절연층(23d)으로 주요부가 구성되고, 또한 인버터(24)나 제1 개폐기(25) 등을 포함한다. 제1 전극(23a)군은 배기 통로(18a)측에 면하는 박막 형상의 유전체층(23c)의 한쪽의 표면에 일정 간격으로 배열되고, 제2 전극(23b)군은 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e)측에 면하는 유전체층(23c)의 다른 쪽의 표면에 제1 전극(23a)군과 동일한 일정 간격으로 배열되어 있다. 제2 전극(23b)군을 피복하는 절연층(23d)은, 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e)에 접합된다. 본 실시 형태에서는, 배기 통로(18a)를 흐르는 배기에 의한 제1 전극(23a)군의 열화나 부식을 방지하므로, 박막 형상의 절연 보호층(23e)에서 제1 전극(23a)군을 피복하고 있다. 제2 전극(23b)군은, 제1 전극(23a)군에 대해, 배기 통로(18a)를 흐르는 배기의 흐름 방향과 평행한 이들 배열 방향을 따라서 상대 위치를 약간 하류측으로 어긋나게 하여 배치되고, 제1 개폐기(25)를 통하여 인버터(24)에 접속하고 있다. 제1 개폐기(25)의 개폐 동작, 즉 제1 플라즈마 액추에이터(23)에의 통전의 온/오프는, ECU(17)에 의해 제어된다.
제1 플라즈마 액추에이터(23)의 두께는 매우 얇아, 수㎛ 내지 수백㎛ 정도밖에 없으므로, 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e)에 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 장착해도, 배기의 흐름을 실질적으로 방해하지 않는 것에 주의하길 바란다. 또한, 이 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 제1 배기 박리 영역 Z1에 있어서의 배기 통로(18a)의 전체 주위에 배치할 필요는 없고, 특히 곡률이 큰 부분에만 배치하도록 해도 된다. 또한, 본 발명에 있어서는 제1 플라즈마 액추에이터(23)가 고온의 배기 통로(18a)에 배치되므로, 전극(23a, 23b)군, 유전체층(23c), 절연층(23d), 절연 보호층(23e) 등을 내열성이 양호한 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료로서, 예를 들어 전극을 철이나 니켈로 형성하고, 유전체층(23c)이나 절연층(23d) 및 절연 보호층(23e)을 세라믹스 등으로 형성할 수 있다.
ECU(17)의 투입 에너지양 설정부(17b)에는, 배기 통로(18a)를 흐르는 단위 시간당의 배기의 유량 Q와, 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 인가되는 전압 V1과의 관계를 미리 설정한 도 5에 도시하는 바와 같은 맵이 기억되어 있다. 기본적으로는, 배기 유량 Q가 많을수록 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 대한 투입 에너지양이 커지도록, 제1 플라즈마 액추에이터(23)의 작동이 제1 개폐기(25)를 통하여 제어된다. 본 실시 형태에서는, 전술한 에어플로우미터(16)로부터의 정보에 기초하여, 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 대한 투입 에너지양으로서, 투입 에너지양 설정부(17b)가 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 대한 인가 전압 V1을 설정한다. 차량 탑재의 이차 전지(26)로부터 전력이 공급되는 인버터(24)는, 출력 전압을 예를 들어 1 내지 10㎸ 정도의 범위로 변경하는 것이 가능하다. 이 인버터(24)는 ECU(17)에 의해 개폐가 제어되는 제1 개폐기(25)를 통하여, 투입 에너지양 설정부(17b)에서 설정된 전압 V1을 소정의 구동 주파수에서 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 인가한다.
제1 플라즈마 액추에이터(23)에 투입되는 에너지양의 제어 형태로서, 본 실시 형태에서는 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 대한 인가 전압 V1을 변경함으로써, 투입 에너지양을 제어하고 있다. 그러나, 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 대한 구동 주파수를 예를 들어 1 내지 10㎑ 정도의 범위로 변경함으로써, 투입 에너지양의 제어를 행하는 것도 가능하다. 혹은, 인가 전압 V1 및 구동 주파수를 모두 변경함으로써 투입 에너지양을 제어하도록 해도 되고, 직류의 펄스 전압을 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 인가해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 하여 제1 전극(23a)군과 제2 전극(23b)군 사이에 고주파의 고전압 V1이 인가되면, 개개의 제1 전극(23a)의 바로 근처 하류측의 절연 보호층(23e)의 표면 영역에서 플라즈마가 발생하고, 이에 수반해서 도 4 중, 화살표로 나타내는 바와 같은 기류가 발생한다. 이와 같은 기류의 발생에 의해, 그 부근에 개재되는 배기가 잡아끌려 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e)으로부터의 박리가 억제되어, DOC(21)의 상류측 단부면(21a)에 대해 확산 상태로 유입된다. 이 경우, 플라즈마의 발생에 수반하여 발생하는 기류의 강도는 제1 및 제2 전극(23a, 23b)군에 대한 투입 에너지양에 비례한다.
또한, 본 실시 형태와 같이 DPF(22)를 DOC(21)의 하류측에 배치한 경우, 배기에 포함되는 그을음이 제1 플라즈마 액추에이터(23)의 작동에 의해 산화되므로, DOC(21)를 통해서 DPF(22)에 유입되는 배기에 포함되는 그을음의 양을 보다 적게 할 수 있다. 이 결과, DPF(22)의 재생 처리의 빈도를 낮추는 것이 가능하게 된다.
DOC(21)에는 촉매 온도 센서(27)가 본 발명에 의한 촉매 컨버터의 온도를 취득하기 위한 수단으로서 설치되어 있다. 이 촉매 온도 센서(27)에 의해 취득된 DOC(21)의 온도 정보는, ECU(17)에 출력된다. ECU(17)는 DOC(21)의 온도 TC가 그 활성 하한 온도 TCL 이상, 또한 DOC(21)의 온도 TC가 그 상한 온도 TCH 이하인 경우에만, 제1 개폐기(25)를 통전 상태로 전환해서 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 대해 고전압 V1을 인가한다.
촉매 온도 센서(27)에 의해 취득된 DOC(21)의 온도 TC는, 제1 배기 박리 영역 Z1에 의해 배기가 유입되는 영역과는 다른 영역, 즉 배기가 유입되기 어려운 영역의 온도인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 후술하는 단열 구획부(21b)보다도 하류측이 되는 DOC(21)의 외주 단부 테두리부의 온도를 취득하도록 하고 있다. 이와 같은 촉매 온도 센서(27) 대신에 배기온을 검출하기 위한 배기온 센서를 배기 정화 장치(19)의 상류측 및 하류측 중 적어도 한쪽에 배치하고, 배기온 센서로부터의 검출 정보에 기초하여 DOC(21)의 온도 TC를 추정하는 것도 가능하다. 혹은, 미리 실험에 의해 난기 개시 시로부터의 DOC(21)가 검출해야 할 영역의 온도 TC의 시간 변화를 구해 두고, 난기 개시 시로부터의 시간에 기초하여 DOC(21)의 온도 TC를 추정하도록 해도 된다.
본 실시 형태에 있어서의 DOC(21)에는, 공기보다도 열전도율이 낮은 내열 재료, 예를 들어 구로사키 하리마 가부시끼가이샤의 「PorexthermWDS(등록 상표)」 등을 사용한 통 형상의 단열 구획부(21b)가 DOC(21)의 상류 단부측에 설치되어 있다. 이와 같은 특수한 재료를 사용하는 대신에, 단열 구획부(21b)를 공기층으로 형성하는 것도 가능하고, 이 경우에는 통 형상의 공극을 DOC(21)에 형성하기만 해도 된다. 이 통 형상의 단열 구획부(21b)에 의해 둘러싸인 영역은, 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동시키지 않는 상태에 있어서 제1 배기 박리 영역 Z1에서 배기가 박리됨으로써, 배기를 치우쳐서 DOC(21)에 유입시키는 영역이다. 통상, 이 단열 구획부(21b)의 통로 단면적은, 제1 배기 박리 영역 Z1의 콘부(18b)에 접속하는 배기관(18)의 통로 단면적과 거의 동일하거나, 그보다 약간 크고, 그 윤곽 형상은 배기관(18)의 단면 형상과 상사형으로 된다. 이에 의해, 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동시키지 않는 상태에 있어서는, 배기의 대부분을 단열 구획부(21b)에 의해 둘러싸인 DOC(21)의 영역으로 유도할 수 있다. 이에 의해, 엔진(10)의 난기 시에 단열 구획부(21b)에 의해 둘러싸인 DOC(21)의 영역만을 신속히 승온시킬 수 있다. 또한, DOC(21)의 길이 방향(배기의 흐름 방향)을 따른 단열 구획부(21b)의 길이는, DOC(21)의 절반 이하인 것이 바람직하고, 1/3 내지 1/4 정도이어도 된다.
여기서, 엔진(10)의 난기 시에서의 본 실시 형태에 의한 DOC(21)의 승온 특성을 모식적으로 도 6에 도시한다. 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동시키지 않는 상태에 있어서, 단열 구획부(21b)에 의해 둘러싸인 DOC(21)의 상류측 단부면(21a)의 중앙 부분의 온도 변화를 도 6 중의 실선으로 나타낸다. 또한, 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동시키지 않는 상태에 있어서, 단열 구획부(21b)를 형성하지 않는 경우의 DOC(21)의 상류측 단부의 중앙 부분의 온도 변화를 도 6 중의 파선으로 나타낸다. 또한, 단열 구획부(21b)를 형성하지 않는 경우의 DOC(21)에 대해, 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동해서 배기를 확산시킨 상태에서 DOC(21)에 유입시킨 경우의 상류측 단부면(21a)의 중앙 부분의 온도 변화를 도 6 중의 이점쇄선으로 나타낸다. 또한, 도 6 중의 점선은 본 실시 형태에 있어서 촉매 온도 센서(27)에 의해 검출되는 영역의 온도 변화를 나타내고 있다.
이에 의하면, 단열 구획부(21b)를 DOC(21)에 형성한 경우, DOC(21)의 중앙부가 시각 t1에서 촉매 활성 하한 온도 TCL에 도달한다. 대응하는 시각이 t2가 되는 단열 구획부(21b)를 형성하고 있지 않은 파선의 경우와 비교하면, 1/2 이하의 시간에 DOC(21)의 중앙부를 촉매 활성 하한 온도 TCL까지 가열하는 것도 이해할 수 있다. 따라서, 단열 구획부(21b)를 형성함과 함께 난기 시에 제1 플라즈마 액추에이터(23)의 작동을 정지해 둠으로써, DOC(21)의 중앙부만을 보다 신속하게 활성화시켜 엔진(10)의 난기 시에서의 배기의 정화를 개선할 수 있다. 또한, 촉매 온도 센서(27)에 의해 검출되는 온도 TC가 엔진(10)을 시동한 시각 t0으로부터 DOC(21)의 외주 단부 테두리부가 촉매 활성 하한 온도 TCL에 도달한 시점 t3 이후, DOC(21)의 외주 단부 테두리부의 온도가 급격하게 상승하는 것을 간파할 수 있다. 그 이유는, DOC(21)의 외주 단부 테두리부가 촉매 활성 하한 온도 TCL에 도달한 시점 t3에서 제1 플라즈마 액추에이터(23)가 작동하기 시작하고, 배기가 확산 상태로 DOC(21)에 유입되기 때문이다. 즉, 취득되는 DOC(21)의 온도 TC가 촉매 활성 하한 온도 TCL에 도달한 시점 t3에서 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동시킴으로써, DOC(21) 전체를 보다 빠르게 유효하게 기능시키는 것이 가능하게 된다.
또한, DOC(21)에 대한 단열 구획부(21b)의 위치는, 콘부(18b)의 형상이나 이 콘부(18b)에 접속하는 배기관(18)의 접속 각도 등에 의해, 본 실시 형태와 같은 DOC(21)의 중앙부에서 크게 어긋나는 경우가 있는 것에 주의하길 바란다. 또한, 이 단열 구획부(21b)를 촉매 컨버터에 형성하지 않는 경우, 상기 촉매 온도 센서(27)에 의해 취득되는 DOC(21)의 온도 TC는, DOC(21)의 상류측 단부면(21a)의 외주 단부 테두리부의 영역 온도인 것이 바람직하다. 이와 같은 제1 배기 처리부의 다른 실시 형태의 단면 구조를 도 7에 도시한다. 본 실시 형태에서는 단열 구획부(21b)를 DOC(21)에 형성하고 있지 않으므로, 촉매 온도 센서(27)를 콘부(18b)에 접속하는 배기관(18)으로부터 가장 먼 DOC(21)의 상류측 단부면(21a)의 외주 단부 테두리부에 설치하고 있다. 또한, 배기관(18)과 콘부(18b)와의 접속 영역의 볼록 만곡면이 되는 제1 배기 박리 영역 Z1에 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 설치하고 있다. 단열 구획부(21b)를 DOC(21)에 형성하는 경우에는, 도면 중의 이점쇄선으로 나타내는 바와 같은 개소에 형성할 수 있고, 전술한 공기층이 되는 공극으로 형성하는 것도 가능하다.
상술한 제1 플라즈마 액추에이터(23)의 작동 수순을 도 8의 흐름도를 참조하면서 설명하면, 우선 S11의 스텝에서 촉매 온도 TC가 촉매 활성 하한 온도 TCL 이상인지 여부를 판정한다. 여기서, 촉매 온도 TC가 촉매 활성 하한 온도 TCL 이상인, 즉 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동할 수 있을 가능성이 있는 TCL이라고 판단한 경우에는, S12의 스텝으로 이행해서 이번에는 촉매 온도 TC가 상한 온도 TCH 이하인지 여부를 판정한다. 여기서 촉매 온도 TC가 상한 온도 TCH 이하인, 즉 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 작동시켜 DOC(21)의 전역으로 배기를 확산시키는 것이 바람직하다고 판단한 경우에는, S13의 스텝으로 이행한다. 그리고, 배기 유량 Q를 취득하고, 계속해서 S14의 스텝에서 취득한 배기 유량 Q에 대응하는 인가 전압 V1을 설정한 후에, S15의 스텝에서 설정한 인가 전압 V1에 의해 제1 플라즈마 액추에이터(23)를 구동한다.
이에 의해, 제1 배기 박리 영역 Z1에 있어서의 배기 통로(18a)의 벽면(18e) 부분을 따라서 제1 배기 처리부측으로 배기 유량 Q에 따른 기류가 발생한다. 결과적으로, 제1 배기 박리 영역 Z1에 있어서의 배기 통로(18a)의 벽면(18e) 부분을 따라서 유동하는 배기가 이 기류에 끌려 배기 통로(18a)의 벽면(18e) 부분으로부터 박리되지 않고 유동하고, DOC(21)의 전역에 대해 확산 상태로 유입된다. 이에 의해, DOC(21)를 최대한으로 유효 활용할 수 있다.
그러한 후, S16의 스텝에서 제1 플래그가 세트되어 있는지 여부를 판정하지만, 처음에는 제1 플래그가 세트되어 있지 않으므로, S17의 스텝으로 이행해서 제1 플래그를 세트한 후, 다시 S11의 스텝으로 복귀한다.
한편, S11의 스텝에서 촉매 온도 TC가 촉매 활성 하한 온도 TCL보다도 낮고, 즉 단열 구획부(21b)에 의해 둘러싸인 DOC(21)의 영역을 신속히 승온시키는 것이 바람직하다고 판단한 경우에는, S18의 스텝으로 이행한다. 또한, S12의 스텝에서 촉매 온도 TC가 상한 온도 TCH보다도 높다고 판단한 경우에도 마찬가지로 S18의 스텝으로 이행해서 제1 플래그가 세트되어 있는지 여부를 판정한다. 여기서 제1 플래그가 세트되어 있다고 판단한 경우에는, S19의 스텝에서 인가 전압 V1을 0으로 설정하여 제1 플라즈마 액추에이터(23)의 작동을 정지시키고, S20의 스텝에서 제1 플래그를 리셋한 후, 다시 S11의 스텝으로 복귀한다. 이에 의해, 제1 플라즈마 액추에이터(23)에 대한 불필요한 전력의 공급을 피할 수 있다.
또한, S11의 스텝에서 촉매 온도 TC가 촉매 활성 하한 온도 TCL보다도 낮다고 판단한 경우에는, 제1 플라즈마 액추에이터(23)의 작동이 정지된다. 이에 의해, 제1 배기 박리 영역 Z1로부터 DOC(21)의 단열 구획부(21b)에 의해 둘러싸인 영역에 배기가 치우쳐서 유입하게 된다. 이 결과, DOC(21)의 단열 구획부(21b)에 의해 둘러싸인 영역을 보다 신속하게 활성 하한 온도 TCL 이상으로 승온시킬 수 있어, 엔진(10)의 난기 시에서의 배기의 정화를 촉진시키는 것이 가능하게 된다.
배기 정화 장치(19)보다도 하류의 배기 통로(18a)에는, 그 통로 단면적을 증대시키는 팽출부(28)가 형성되고, 이 팽출부(28)를 구획하도록 배기의 흐름 방향을 따라서 연장되는 구획벽(29)이 배기 통로(18a) 내에 배치되어 있다. 배기 통로(18a)의 팽출부(28)를 구획 형성하는 벽면(18e)과, 구획벽(29)의 상류 단부 및 하류 단부 사이에는, 배기를 팽출부(28)측으로 유입시키기 위한 입구부(28a)와, 팽출부(28)에 들어간 배기를 유출시키기 위한 출구부(28b)가 형성되어 있다. 이에 의해, 배기 정화 장치(19)보다도 하류의 배기 통로(18a)는 팽출부(28)를 우회하지 않는 주 배기 통로(18c)와, 팽출부(28)에 우회하는 부 배기 통로(18d)의 2개로 분기한 상태가 된다. 실린더 블록(30)에 형성된 물재킷(30a)에 연통하는 배열 회수기(20)는 부 배기 통로(18a)에 배치되고, 이 부 배기 통로(18a)를 흐르는 배기와 엔진(10)의 냉각수 사이에서 열교환을 행한다. 본 발명의 제2 배기 처리부로서의 배열 회수기(20)는, 배기에 포함되는 열을 이용해서 냉각수를 승온시킴으로써, 엔진(10)의 조기 난기를 달성하기 위한 것이다. 이 목적을 위해, 상술한 DPF(22)를 배열 회수기(20)보다도 하류측의 배기 통로(18a)에 배치해도 되고, 이 경우에는, 더 효율적으로 배열 회수를 행할 수 있다.
도 3에 도시하는 실시 형태의 경우, 상류측의 팽출부(28)의 분기 영역을 구획 형성하는 벽면(18e) 부분을 따라서 흐르는 배기가 당해 벽면(18e) 부분으로부터 박리되고, 이에 의해 팽출부(28)에의 배기의 유입량을 감소시키는 제2 배기 박리 영역 Z2가 있다. 배기의 흐름 방향을 따른 그 단면 형상이 볼록 만곡면을 포함하는 제2 배기 박리 영역 Z2에 있어서의 배기 통로(18a)의 벽면(18e) 부분에는, 당해 벽면(18e) 부분을 따른 배열 회수기(20)측에의 기류를 발생시키기 위한 제2 플라즈마 액추에이터(31)가 배치되어 있다. 이 제2 플라즈마 액추에이터(31)는, 상기 제1 플라즈마 액추에이터(23)와 기본적으로 동일한 구성이며, ECU(17)에 의해 개폐가 제어되는 제2 개폐기(32)를 통하여 인버터(24)에 접속하고 있다. 그러나, 인버터(24)에 의한 제2 플라즈마 액추에이터(31)에 대한 인가 전압 V2나 구동 주파수 등은, 제2 배기 박리 영역 Z1의 곡률에 따라서 미리 설정한 일정값으로 되어 있다.
부 배기 통로(18d)를 구획 형성하는 팽출부(28)의 벽면(28c) 부분으로부터, 구획벽(29)에 대해 수직인 방향을 따른 구획벽(29)까지의 간격 W1은, 동일한 벽면(28c)으로부터, 구획벽(29)에 대해 수직인 방향을 따른 분기 직전의 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e) 부분까지의 간격 W2보다도 짧게 설정되어 있다. 환언하면, 주 배기 통로(18c)의 중앙으로부터 분기 직전의 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e)까지의 거리는, 주 배기 통로(18c)의 중앙으로부터 구획벽(29)까지의 거리보다도 짧게 설정되어 있다. 이에 의해, 엔진(10)의 난기 종료 후에 배열 회수기(20)측으로 배기의 일부를 유입시키기 어렵게 하여 냉각수의 불필요한 온도 상승을 억제하는 것이 가능하게 된다. 난기 종료 후의 냉각수의 불필요한 온도 상승을 확실하게 억제하므로, 출구부(28b)를 개폐하기 위한 기계적 셔터 기구를 내장하는 것도 가능하지만, 그를 위한 부품 비용이나 유지 보수 등이 필요하게 되는 것에 주의하길 바란다. 본 실시 형태에서는, 입구부(28a)나 출구부(28b)를 개폐하기 위한 가동 부분이 없으므로, 신뢰성이 높고, 부품 비용이나 압력 손실을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
실린더 블록(30)에는, 물재킷(30a)을 흐르는 엔진(10)의 냉각수 온도 TW를 취득하고, 그 검출 정보를 ECU(17)에 출력하는 수온 센서(33)가 배치되어 있다. ECU(17)는 취득한 냉각수의 온도 TW가 미리 설정한 온도 TWL보다도 낮은 경우에만, 제2 개폐기(32)를 통전 상태로 전환해서 제2 플라즈마 액추에이터(31)를 작동시킨다.
이와 같은 제2 플라즈마 액추에이터(31)의 작동 수순을 도 9의 흐름도를 참조하면서 설명하면, 우선 S21의 스텝에서 냉각 수온 TW가 하한 냉각 수온 TWL보다도 낮은지 여부를 판정한다. 여기서, 냉각 수온 TW가 하한 냉각 수온 TWL보다도 낮고, 즉 엔진(10)의 난기가 필요하다고 판단한 경우에는, S22의 스텝에서 제2 플라즈마 액추에이터(31)를 구동한다. 이에 의해, 배기 정화 장치(19)를 통과한 배기의 일부를 입구부(28a)로부터 부 배기 통로(18d)에 효율적으로 유도할 수 있다. 부 배기 통로(18d)에 유도된 배기는, 배열 회수기(20)를 통과하는 동안에 냉각수 사이에서 열교환을 행하고, 냉각수를 승온시킨 후, 출구부(28b)로부터 부 배기 통로(18d)를 넘어서 주 배기 통로(18c)를 흐르는 배기와 합류해서 소음기측으로 유하한다. 다음에, S23의 스텝에서 제2 플래그가 세트되어 있는지 여부를 판정한다. 처음에는 제2 플래그가 세트되어 있지 않으므로, S24의 스텝으로 이행해서 제2 플래그를 세트한 후, 다시 S21의 스텝으로 복귀한다.
이와 같이 하여, 냉각 수온 TW가 하한 냉각 수온 TWL 이상이 될 때까지는 제2 플라즈마 액추에이터(31)에 대해 전력이 공급되고, 배기의 일부를 배열 회수기(20)에 유도해서 냉각 수온의 상승을 도모하고, 난기를 촉진시킨다.
S21의 스텝에서 냉각 수온 TW가 하한 냉각 수온 TWL 이상인, 즉 엔진(10)의 난기가 종료되었다고 판단한 경우에는, S25의 스텝으로 이행해서 제2 플래그가 세트되어 있는지 여부를 판정한다. 여기서 제2 플래그가 세트되어 있는, 즉 제2 플라즈마 액추에이터(31)에 대해 전력이 공급되어 있다고 판단한 경우에는, S26의 스텝으로 이행한다. 그리고, 제2 플라즈마 액추에이터(31)에 대한 인가 전압 V2를 0으로 설정하고, 제2 플라즈마 액추에이터(31)의 작동을 정지시킨 후, S27의 스텝으로 이행해서 제2 플래그를 리셋하여 다시 S21의 스텝으로 복귀한다.
이 상태에서는, 구획벽(29)과 분기 직전의 배기 통로(18a)를 구획 형성하는 벽면(18e)과의 단차에 의해, 배기의 일부가 입구부(28a)로부터 부 배기 통로(18d) 내에 유입되기 어려워, 냉각 수온이 불필요한 승온을 억제할 수 있다. 또한, 엔진(10)의 난기 종료 후에 제2 플라즈마 액추에이터(31)에 대한 불필요한 전력 공급을 저지하는 것도 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 그 특허 청구 범위에 기재된 사항만으로부터 해석되어야만 하는 것이며, 상술한 실시 형태에 있어서도, 본 발명의 개념에 포함되는 모든 변경이나 수정이 기재된 사항 이외에 가능하다. 즉, 상술한 실시 형태에 있어서의 모든 사항은, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라, 본 발명과는 직접 관계가 없는 구성을 포함하고, 그 용도나 목적 등에 따라서 임의로 변경할 수 있는 것이다.

Claims (18)

  1. 내연 기관용 배기 처리 장치로서, 상기 배기 처리 장치는,
    배기 처리부(21)이며, 상기 배기 처리부는 상기 내연 기관의 배기 통로에 배치되고, 상기 배기 통로는 i) 상기 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가, 배기 박리 영역에서 상기 벽면 부분으로부터 박리되고, ii) 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 배기가 상기 배기 처리부에 대해 치우쳐서 유입되거나 또는 배기의 상기 배기 처리부에의 유입량이 감소하도록 구성되는 배기 처리부 및
    플라즈마 액추에이터(23)이며, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분에 배치되고, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 통로 내의 배기에, 상기 벽면 부분을 따른 상기 배기 처리부측에의 기류를 발생시키도록 구성되는 플라즈마 액추에이터
    를 포함하는, 배기 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분은, 배기의 흐름 방향을 따른 그 단면 형상이 볼록 만곡면을 포함하는 배기 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배기 통로를 흐르는 배기의 유량을 취득하도록 구성되는 유량 취득 장치(16) 및
    상기 플라즈마 액추에이터에 대한 투입 에너지양을 제어하도록 구성되는 컨트롤러(17)
    를 더 포함하고,
    상기 배기 처리부는 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터(21)를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 취득한 배기의 유량이 많을수록 상기 플라즈마 액추에이터에 대한 투입 에너지양이 커지도록 상기 플라즈마 액추에이터를 제어하는 배기 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터의 온도를 취득하도록 구성된 온도 취득 장치를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도 이상인 경우, 상기 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하도록 구성되는 배기 처리 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배기 처리부는 배기를 정화하는 촉매 컨버터를 포함하고,
    상기 배기 처리 장치는,
    상기 촉매 컨버터의 온도를 취득하도록 구성되는 온도 취득 장치(27) 및
    상기 플라즈마 액추에이터에 대한 투입 에너지양을 제어하도록 구성되는 컨트롤러(17)
    를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도 이상인 경우, 상기 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하도록 구성되는 배기 처리 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 상한 온도 이하인 경우, 상기 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하는 배기 처리 장치.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터는 단열 구획부(21b)이며, 상기 단열 구획부는 통 형상이며, 배기의 흐름 방향을 따라서 상기 촉매 컨버터의 일부를 둘러싸는 단열 구획부를 포함하고,
    상기 단열 구획부에 의해 둘러싸인 영역은, 상기 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 배기가 치우쳐서 유입되는 영역을 포함하는 배기 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단열 구획부의 배기의 흐름 방향을 따른 길이는, 상기 촉매 컨버터의 배기의 흐름 방향을 따른 길이보다도 짧고,
    배기의 흐름 방향을 따른 상기 단열 구획부의 상류측 단부가 배기의 흐름 방향을 따른 상기 촉매 컨버터의 상류측 단부에 위치하고 있는 배기 처리 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 단열 구획부가 공기층으로 형성되어 있는 배기 처리 장치.
  10. 제4항 내지 제6항 중 어느 하나, 제4항 내지 제6항 중 어느 하나에 종속하는 제7항, 제8항 또는 제9항 중 어느 하나에 있어서,
    취득되는 상기 촉매 컨버터의 온도는, 상기 배기 박리 영역에 의해 배기가 치우쳐서 유입하게 되는 영역과는 다른 영역의 온도인 배기 처리 장치.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    파티큘레이트 필터(22)이며, 상기 파티큘레이트 필터는 배기 중에 포함되는 미립자를 포착하는 파티큘레이트 필터를 더 포함하고,
    상기 파티큘레이트 필터는 상기 촉매 컨버터보다도 하류측에 배치되어 있는 배기 처리 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배기 통로는 배기의 흐름 방향을 따라서 연장되는 구획벽에 의해 2개로 분기하고, 상기 배기 처리부는 분기한 한쪽의 배기 통로에 배치되어 이 한쪽의 배기 통로를 흐르는 배기와 내연 기관의 냉각수 사이에서 열교환을 행하기 위한 배열 회수기를 포함하고,
    상기 배기 박리 영역은 상기 배기 통로의 분기 부분에 위치하고,
    상기 배기 통로는, 상기 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 상기 한쪽의 배기 통로에의 배기의 유입량이 감소하도록 구성되는 배기 처리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    수온 센서(33)이며, 상기 수온 센서는 상기 내연 기관의 냉각수 온도를 취득하는 수온 센서를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 취득한 냉각수의 온도가 미리 설정한 온도보다도 낮은 경우, 상기 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하도록 구성되는 배기 처리 장치.
  14. 내연 기관용 배기 처리 방법으로서,
    상기 내연 기관의 배기 통로는 상기 내연 기관으로부터의 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터(21)보다도 상류측의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가, 배기 박리 영역에서 상기 벽면 부분으로부터 박리됨으로써, 배기가 상기 배기 통로에 배치되는 배기 처리부(19)에 대해 치우쳐서 유입되도록 구성되고,
    플라즈마 액추에이터(23)이며, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분에 배치되고, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 통로 내의 배기에, 상기 배기 통로의 벽면을 따른 기류를 생성시키도록 구성되며,
    상기 배기 처리 방법은,
    상기 촉매 컨버터의 온도를 취득하는 단계와,
    취득한 촉매 컨버터의 온도가 이 촉매 컨버터의 활성 하한 온도 이상인 경우에 상기 플라즈마 액추에이터에 대해 에너지를 투입하는 단계
    를 포함하는 배기 처리 방법.
  15. 내연 기관용 배기 처리 방법으로서,
    상기 내연 기관의 배기 통로는 상기 내연 기관으로부터의 배기를 정화하기 위한 촉매 컨버터(21)보다도 상류측의 배기 통로를 구획 형성하는 벽면 부분을 따라서 흐르는 배기가, 배기 박리 영역에서 상기 벽면 부분으로부터 박리됨으로써, 배기가 상기 촉매 컨버터에 대해 치우쳐서 유입되도록 구성되고,
    플라즈마 액추에이터(23)이며, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 상기 벽면 부분에 배치되고, 상기 플라즈마 액추에이터는 상기 배기 통로 내의 배기에, 상기 배기 통로의 벽면을 따른 기류를 생성시키도록 구성되며,
    상기 배기 처리 방법은,
    배기 유량을 취득하는 단계와,
    취득한 배기 유량이 많을수록 보다 큰 에너지를 상기 플라즈마 액추에이터에 부여해서 배기를 상기 촉매 컨버터에 대해 확산시킨 상태로 유입시키는 단계
    를 포함하는 배기 처리 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터의 온도를 취득하는 단계 및
    취득한 촉매 컨버터의 온도가 이 촉매 컨버터의 활성 하한 온도 이상인 경우에, 배기를 상기 촉매 컨버터에 대해 확산시킨 상태로 유입시키는 단계
    를 더 포함하는 배기 처리 방법.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 박리 영역에서의 상기 배기 통로의 벽면 부분은, 배기의 흐름 방향을 따른 그 단면 형상이 볼록 만곡면을 포함하는 배기 처리 방법.
  18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기의 흐름 방향을 따라서 상기 촉매 컨버터의 일부를 둘러싸는 통 형상의 단열 구획부가 상기 촉매 컨버터에 형성되고, 이 단열 구획부에 의해 둘러싸인 영역은, 상기 배기 박리 영역에서의 배기 통로의 벽면 부분으로부터 배기가 박리됨으로써, 배기가 치우쳐서 유입되는 영역을 포함하고, 취득한 촉매 컨버터의 온도가 그 활성 하한 온도보다도 낮은 경우, 배기의 대부분이 상기 단열 구획부에 의해 둘러싸인 상기 촉매 컨버터의 영역으로 유도되게 되는 배기 처리 방법.
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