JP2016211516A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents
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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
【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。
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。
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(Al2O3)、炭化ホウ素(B4C)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、ジルコニア(ZrO2)、イットリア(Y2O3)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(Fe3O4)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・2Al2O3・5SiO2)、シリカ(SiO2)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)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(CeO2)及びセリア(CeO2)−ジルコニア(ZrO2)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
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 (1)
- 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。
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-
2015
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