JP4957847B2

JP4957847B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4957847B2
Application number: JP2010521757A
Authority: JP
Inventors: 孝太郎林; 哲也山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: CN102105672B; EP2317114A4; WO2010010973A1; JPWO2010010973A1; EP2317114A1; US8539755B2; CN102105672A; US20110162354A1

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年の内燃機関は、燃焼の改善により、内燃機関の排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）が、大幅に低減されているが、ＰＭの排出基準は、更に厳しくなり、排出される５０ナノメータ以上のサイズのＰＭ粒子数の低減が必要である。

この場合、内燃機関の排気ガス通路にＤＰＦ（Diesel Particulate Filter) 等を設置するが、内燃機関の運転条件によっては、ＤＰＦ設置のみでは、ＰＭの排出基準を達成できない場合が発生する。

一方、内燃機関でのＰＭの生成においては、内燃機関の燃焼室内に供給される流体、すなわち、吸入空気、燃料、エンジンオイル等に含まれる微粒子が核となり、ＰＭ生成を促進することが分ってきた。すなわち、燃焼室内に供給される流体中の微粒子が、５０ナノメータより小さい微粒子であっても、燃焼室内でこれが核となり、５０ナノメータより大きなサイズのＰＭ粒子に成長するため、ＰＭ粒子数の排出基準に抵触する。

したがって、更なるＰＭ排出低減を行なうためには、内燃機関の燃焼室内に供給される流体に含まれる、５０ナノメータよりも小さな微粒子を低減する必要がある。

しかし、従来の内燃機関の排気浄化装置におけるＰＭ排出低減手段としては、内燃機関の燃焼の改善、及び排気ガスの処理が対象となり、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子の燃焼室内への侵入を防止してＰＭ排出数を低減するという事例は無かった。

例えば特許文献１，２に示されているフィルターは、内燃機関の保護のため吸気中の比較的大きな（ミクロンオーダーのサイズの）固形物をろ過する、従来のエアフィルターに関するものであり、特許文献３に示されているフィルターは、クランクケースから放出される排気中の汚染物質を除去するためのものであり、いずれも高効率フィルターと記載されているが、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子まで除去するものではない。

特開２００４−３０１１２１号公報特許第３２４９０５１号公報特開平１０−２３８３３０号公報特開平５−１２６９９３号公報

特許文献４の排気装置では、核燃料取扱施設で使用するＨＥＰＡフィルター（High Efficiency Particulate Air Filter) が紹介されているが、数ミクロンまでの粒子を捕集するものであり、また、核燃料施設の排気中に含まれる固体粒子状放射性物質の除去を目的としたものであり、内燃機関の燃焼室内に侵入する、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去することにより、排出されるＰＭ粒子数を低減するものではない。

本発明は、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去することにより、排出されるＰＭ粒子数を低減することを目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼室内に供給される流体の、燃焼室への供給通路に、ＰＭ生成の核となる５０ナノメータ以下の微粒子を除去する高効率フィルターを備え、５０ナノメータ以下の微粒子を除去することによって、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数を低減する、内燃機関の排気浄化装置であって、更に、高効率フィルターをバイパスするバイパス通路と、高効率フィルターへの流体の流れとバイパス通路への流体の流れと高効率フィルターへ逆流する流体の流れとを切替え制御する弁手段と、を備え、内燃機関の運転条件に応じて、排出されるＰＭ粒子数を計算し、計算されたＰＭ粒子数が、一定値を超える場合には、流体が、高効率フィルターを通過するように制御し、計算されたＰＭ粒子数が、一定値以下である場合には、更に、ＰＭを生成する運転条件かどうかを判定し、ＰＭを生成する場合には、流体が、バイパス通路を通過するように制御し、ＰＭを生成しない場合には、流体が、高効率フィルターを逆流するように制御して、高効率フィルターを洗浄する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１に記載の発明では、燃焼室内に供給される流体の、燃焼室への供給通路に、５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去する高効率フィルターを配置することにより、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去し、これが核となって、排出ガス中に５０ナノメータ以上のサイズのＰＭが生成されることを防止し、排出されるＰＭ粒子数を低減することができる。また、高効率フィルターをバイパスするバイパス通路と、高効率フィルターへの流体の流れとバイパス通路への流体の流れと高効率フィルターへ逆流する流体の流れとを切替え制御する弁手段と、を備え、弁手段によって切り換えることにより、内燃機関の運転状況に応じて、必要な場合のみ、高効率フィルターを通す運転を行ない、全運転期間に対して、流体圧損の少ない、機関運転効率の高い運転を行なうことができ、更に、高効率フィルターへ流体を逆流させて、高効率フィルターの洗浄運転を行なうことができ、高効率フィルターのろ過性能を長期に維持することができる。

以上において、燃焼室内に供給され、供給通路に高効率フィルターを備える流体は、吸入空気であることが好ましい。

すなわち、燃焼室内に供給される吸入空気の、燃焼室への供給通路に、５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去する高効率フィルターを配置することにより、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去し、排出されるＰＭ粒子数を低減することができる。

或いは、燃焼室内に供給され、供給通路に高効率フィルターを備える流体は、燃焼室内で燃焼させる燃料であることが好ましい。

すなわち、燃焼室内に供給される燃料の、燃焼室への供給通路に、５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去する高効率フィルターを配置することにより、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去し、排出されるＰＭ粒子数を低減することができる。

或いは、燃焼室内に供給され、供給通路に高効率フィルターを備える流体は、エンジンオイルであることが好ましい。

すなわち、燃焼室内に供給されるエンジンオイルの、燃焼室への供給通路に、５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去する高効率フィルターを配置することにより、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去し、排出されるＰＭ粒子数を低減することができる。

請求項１に記載の発明においては、運転条件に応じて排出されるＰＭ粒子数を計算し、計算されたＰＭ粒子数が一定値を超える場合には、流体が、高効率フィルターを通過するように制御しているが、予め実験等で、運転条件と、排出されるＰＭ粒子数との相関関係を求めておき、これを例えば運転マップとして保有し、運転マップから、排出されるＰＭ粒子数が一定値を超える運転条件であると推定される場合には、流体が高効率フィルターを通過するように制御してもよい。

すなわち、請求項２に記載の発明では、燃焼室内に供給される流体の、燃焼室への供給通路に、ＰＭ生成の核となる５０ナノメータ以下の微粒子を除去する高効率フィルターを備え、５０ナノメータ以下の微粒子を除去することによって、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数を低減する、内燃機関の排気浄化装置であって、更に、高効率フィルターをバイパスするバイパス通路と、高効率フィルターへの流体の流れとバイパス通路への流体の流れと高効率フィルターへ逆流する流体の流れとを切替え制御する弁手段と、を備え、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数が一定値を超えると推定される運転条件である場合には、流体が、高効率フィルターを通過するように制御し、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数が一定値以下であると推定される運転条件である場合には、更に、ＰＭを生成する運転条件かどうかを推定し、ＰＭを生成する場合には、流体が、バイパス通路を通過するように制御し、ＰＭを生成しない場合には、流体が、高効率フィルターを逆流するように制御して、高効率フィルターを洗浄する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

このような条件は、例えば、運転条件が軽負荷運転条件である場合が該当し、この場合には、流体が高効率フィルターを通過するように制御すると、有利である。

すなわち、請求項３に記載の発明では、ＰＭ粒子数が一定値を超えると推定される運転条件が、軽負荷運転条件である、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

更に、高効率フィルターを、通常のフィルターの下流側に配置することが好ましい。

請求項４に記載の発明では、高効率フィルターを、空気吸入用エアフィルター又は燃料フィルター又はエンジンオイルフィルターの下流側に配置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、流体が吸入空気である場合には、高効率フィルターを、空気吸入用エアフィルターの下流側に配置し、流体が燃料である場合には、高効率フィルターを、燃料フィルターの下流側に配置し、流体がエンジンオイルである場合には、高効率フィルターを、エンジンオイルフィルターの下流側に配置して、流体を、５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去する高効率フィルターに通す前段階として、まず、通常の空気吸入用エアフィルター又は燃料フィルター又はエンジンオイルフィルターに通し、比較的大きな粒子をあらかじめ除去することにより、高効率フィルターの早期目詰まり、圧損増加等を防止し、高効率フィルターのろ過性能を阻害しないようにすることができる。

以上に記載のように、本発明によれば、ＰＭの核となる５０ナノメータよりも小さな微粒子を除去することにより、排出されるＰＭ粒子数を低減するという効果を奏することができる。

本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、一実施形態の概略構成を説明する図である。本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、他の実施形態の概略構成を説明する図である。本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更なる他の実施形態の概略構成を説明する図である。図３の実施形態の制御を説明するフローチャートである。本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、別の実施形態の概略構成を説明する図である。本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更に別の実施形態の概略構成を説明する図である。本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更に別の実施形態の概略構成を説明する図である。本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合に、運転マップを使用して制御を行う場合の、運転マップの一例を説明する図である。本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合に、運転マップを使用して制御を行う場合の、運転マップの別の例を説明する図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、複数の添付図面において、同一又は相当する部材には、同一の符号を付している。

図２は、本発明の基本的な実施形態を示し、吸入空気をろ過する通常のエアフィルター２の下流に、５０ナノメータよりも小さな微粒子（以下「ナノサイズの微粒子」という）を除去する高効率フィルターであるＨＥＰＡフィルター３（High Efficiency Particulate Air Filter)を配置したものである。すなわち、内燃機関１の燃焼室内で発生するＰＭを低減するために、吸入空気中の、ＰＭの核となるナノサイズの微粒子を、ＨＥＰＡフィルター３によって除去する。この場合、吸入空気がＨＥＰＡフィルター３に流入する前に、通常のエアフィルター２で、内燃機関の機械的な運動の障害となるような比較的大きな固形物をろ過し、ＨＥＰＡフィルター３では、目的とするナノサイズの粒子のみを除去するように構成して、ＨＥＰＡフィルター３のろ過性能を阻害しないようにすることが好ましい。

図１は、図２の実施形態に対して、ＨＥＰＡフィルター３をバイパスするバイパス通路を設け、ＨＥＰＡフィルター３への吸入空気の流れとバイパス通路への吸入空気の流れとを切替え制御する弁手段を備えた実施形態を示す。すなわち、内燃機関の運転条件に応じて、ＨＥＰＡフィルター３を通す必要のない場合には、ＨＥＰＡフィルター３を通さずに、吸入空気を内燃機関１に導入し、ＨＥＰＡフィルター３を通す必要のある場合にのみ、ＨＥＰＡフィルター３を通して、吸入空気を内燃機関１に導入する。このように切替え制御することにより、ＨＥＰＡフィルター３での吸気圧損増大による内燃機関の運転効率の低下を防止することができる。この場合、全運転時間に対して、吸気を、バイパス通路を通過させる場合の方が、ＨＥＰＡフィルター３を通過させる場合よりも多いため、図１のように、バイパス通路を、通常のエアフィルター２の下流の曲がりの少ない部分に接続して、バイパス運転時の圧損が少ないように構成することが好ましい。

図３は、図１の実施形態に対して、更に、ＨＥＰＡフィルター３の下流から、ＨＥＰＡフィルター３の上流に向って逆流するように、吸入空気を切替え制御することができるように、吸気通路とＨＥＰＡフィルターと弁手段とを組み合わせて構成した、ＨＥＰＡフィルター切替え通路３’の実施形態を示す。すなわち、内燃機関の運転条件に応じて、ＰＭが生成されることがない場合には、ＨＥＰＡフィルター３での空気の流れを逆流させて、ＨＥＰＡフィルター３に付着したナノサイズの微粒子を吹き飛ばし、ＨＥＰＡフィルター３の性能低下を防止するように構成したものである。すなわち、図３（ａ）は、ＨＥＰＡフィルター３に吸入空気を通さなくても、排気ガス中のＰＭ粒子数が基準値以内である場合に、通常のエアフィルター２を通った吸入空気が、ＨＥＰＡフィルター３をバイパスして流れる状態を示す。図３（ｂ）は、ＨＥＰＡフィルター３に吸入空気を通し、吸入空気中の、ＰＭの核となるナノサイズの微粒子を除去する状態を示す。図３（ｃ）は、排気ガス中にＰＭが排出されない運転状態において、ＨＥＰＡフィルター３の空気の流れを逆流させ、ＨＥＰＡフィルター３の洗浄運転を行なう状態を示す。すなわち、図３（ａ）と（ｂ）までの運転であれば、図１の実施形態と同一であるが、本実施形態では、更に（ｃ）に示す逆洗浄運転を行なうように構成して、ＨＥＰＡフィルター３のろ過性能を長期に維持できるようにしている。

図４は、図３のように構成された内燃機関の排気浄化装置において、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の運転状態を切り換える制御を行なう、フローチャートである。本制御装置には、内燃機関の運転状態と内燃機関から排出されるＰＭ粒子数及びＤＰＦでのＰＭ捕集効率の関係を示すマップが内蔵されており、本制御をスタートすると、まず、ステップ１００で、現在の内燃機関の運転状態から、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数及び、ＤＰＦでのＰＭ捕集効率を求め、外気に排出されるＰＭ粒子数（ＰＮｏｕｔ）を計算する。次に、ステップ２００において、このＰＭ粒子数（ＰＮｏｕｔ）と、あらかじめ設定したＰＭ粒子数基準値（Ｎ）とを比較し、ＰＮｏｕｔがＮを超えた場合には、ステップ３００へ進み、図３（ｂ）の、ＨＥＰＡフィルター３を通る運転を行なう。一方、ＰＮｏｕｔがＮ以下である場合には、ステップ４００へ進むが、運転条件によってＰＭを全く生成しない場合が存在するので、マップ上でＰＭを生成しない運転条件であるか、ＰＭを生成する運転条件であるかを判定する。ＰＭを生成しない運転条件である場合には、ステップ５００へ進み、図３（ｃ）に示す、ＨＥＰＡフィルター３の逆洗浄運転を行ない、ＨＥＰＡフィルター３に捕集されているＰＭ粒子を吹き飛ばす。一方、外気に排出されるＰＭ粒子数（ＰＮｏｕｔ）が、ＰＭ粒子数基準値（Ｎ）以下ではあるが、ＰＭを生成する条件である場合には、ステップ６００へ進み、図３（ａ）のように、ＨＥＰＡフィルター３を通さない運転を行なう。

以上において、図４のステップ１００では、運転条件に応じて排出されるＰＭ粒子数を計算し、計算されたＰＭ粒子数が一定値を超える場合には、ステップ２００で、流体が高効率フィルターを通過するように制御しているが、予め実験等で、運転条件と、排出されるＰＭ粒子数との相関関係を求めておき、例えば運転マップとして保有し、ステップ１００で、この運転マップから排出されるＰＭ粒子数を求め、排出されるＰＭ粒子数が一定値を超える運転条件である場合には、ステップ２００で、流体が高効率フィルターを通過するように制御してもよい。このような運転条件としては、例えば、軽負荷運転条件があり、軽負荷運転条件である場合には、流体が高効率フィルターを通過するように制御すると、有利である。

図８は、上述のステップ１００において、ＰＭ粒子数を求めるために利用する、運転マップの一例を説明する図であり、毎秒排出されるＰＭ粒子数の分布を示した図である。横軸はエンジンの、毎分の回転速度であり、縦軸は、１ストローク当たりの燃料噴射量を立方メートルで表している。このような運転マップを利用することにより、現在の内燃機関の運転状態から、外気に排出されるＰＭ粒子数（ＰＮｏｕｔ）を推定することができる。

また、図９は、上述のステップ４００において、ＰＭを生成しない運転条件であるか、ＰＭを生成する運転条件であるかを判定するために利用する、運転マップの一例を説明する図であり、吸入空気中のナノ粒子の、ＰＭ粒子生成影響感度の分布を示した図である。横軸はエンジンの、毎分の回転速度であり、縦軸は、１ストローク当たりの燃料噴射量を立方メートルで表している。このような運転マップを利用することにより、ステップ５００へ進むか、ステップ６００へ進むかを、判定することができる。

図５は、図２の実施形態を、ＬＰＬ−ＥＧＲ（低圧ループ排気ガス循環装置）を備えた内燃機関に適用した実施形態を示す。ＬＰＬ−ＥＧＲと併用した場合には、ＥＧＲ中のＰＭ粒子数も低減しているため、内燃機関の燃焼室に入る空気中の微粒子を、大幅に低減することができる。

図６は、本発明の別の実施形態を示し、内燃機関１への燃料供給通路に、ナノサイズの粒子を除去する高効率フィルター８を配置したものである。すなわち、内燃機関１の燃焼室内で発生するＰＭを低減するために、燃料中の、ＰＭ生成の核となるナノサイズの微粒子を、高効率フィルター８によって除去する。この場合、燃料が高効率フィルター８に流入する前に、通常の燃料フィルター１０（図７参照）で、内燃機関の機械的な運動の障害となるような比較的大きな固形物をろ過し、高効率フィルター８では、目的とするナノサイズの粒子のみを除去するように構成して、高効率フィルター８のろ過性能を阻害しないようにすることが好ましい。

図７は、図６の実施形態に対して、高効率フィルター８をバイパスするバイパス通路を設け、高効率フィルター８への燃料の流れと、バイパス通路への燃料の流れとを切替え制御する弁手段を備えた実施形態を示す。すなわち、内燃機関の運転条件に応じて、高効率フィルター８を通す必要のない場合には、高効率フィルター８を通さずに、燃料を内燃機関１に導入し、高効率フィルター８を通す必要のある場合にのみ、高効率フィルター８を通して、燃料を内燃機関１に導入する。このように切替え制御することにより、全運転時間における流体圧損増大を防止し、内燃機関の運転効率の低下を防止することができる。この場合、全運転時間に対して、燃料を、バイパス通路を通過させる場合の方が、高効率フィルター８を通過させる場合よりも多いため、図１のように、バイパス通路を、通常の燃料フィルター１０の下流の曲がりの少ない部分に接続して、バイパス運転時の圧損が少ないように構成することが好ましい。

すなわち、燃料系統における高効率フィルター８の設置は、基本構成として、吸入空気におけるＨＥＰＡフィルター３の設置と同様である。したがって、燃料系統における高効率フィルター８においても、前述のＨＥＰＡフィルター３の場合と同様に、図３に示したように、燃料通路と高効率フィルターと弁手段とを組み合わせて構成し、燃料の流れを切替え制御して、逆洗浄を行なうようにすることができる。そのための制御フローチャートも、図４におけるものと同様に構成することができる。

内燃機関の燃焼室に供給する流体には、全て、以上で説明した、高効率フィルターを利用した装置構成、及び制御を適用することができ、これらは全て本発明の範囲に含まれる。内燃機関の燃焼室に供給する他の流体としては、例えば、エンジンオイルがある。

１内燃機関
２通常のエアフィルター
３高効率フィルター
３’ 高効率フィルター切替え通路
４スロットル弁
５ＤＰＦ
６ＥＧＲクーラー
７ＥＧＲ弁
８高効率フィルター
９燃料タンク
１０通常の燃料フィルター

Claims

燃焼室内に供給される流体の、燃焼室への供給通路に、ＰＭ生成の核となる５０ナノメータ以下の微粒子を除去する高効率フィルターを備え、
前記５０ナノメータ以下の微粒子を除去することによって、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数を低減する、
内燃機関の排気浄化装置であって、
更に、前記高効率フィルターをバイパスするバイパス通路と、
前記高効率フィルターへの前記流体の流れと前記バイパス通路への前記流体の流れと前記高効率フィルターへ逆流する流体の流れとを切替え制御する弁手段と、を備え、
内燃機関の運転条件に応じて、排出されるＰＭ粒子数を計算し、
計算されたＰＭ粒子数が、一定値を超える場合には、前記流体が、前記高効率フィルターを通過するように制御し、
前記計算されたＰＭ粒子数が、一定値以下である場合には、更に、ＰＭを生成する運転条件かどうかを判定し、
ＰＭを生成する場合には、前記流体が、前記バイパス通路を通過するように制御し、
ＰＭを生成しない場合には、前記流体が、前記高効率フィルターを逆流するように制御して、前記高効率フィルターを洗浄する、
内燃機関の排気浄化装置。
燃焼室内に供給される流体の、燃焼室への供給通路に、ＰＭ生成の核となる５０ナノメータ以下の微粒子を除去する高効率フィルターを備え、
前記５０ナノメータ以下の微粒子を除去することによって、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数を低減する、
内燃機関の排気浄化装置であって、
更に、前記高効率フィルターをバイパスするバイパス通路と、
前記高効率フィルターへの前記流体の流れと前記バイパス通路への前記流体の流れと前記高効率フィルターへ逆流する流体の流れとを切替え制御する弁手段と、を備え、
内燃機関から排出されるＰＭ粒子数が一定値を超えると推定される運転条件である場合には、前記流体が、前記高効率フィルターを通過するように制御し、
内燃機関から排出されるＰＭ粒子数が一定値以下であると推定される運転条件である場合には、更に、ＰＭを生成する運転条件かどうかを推定し、
ＰＭを生成する場合には、前記流体が、前記バイパス通路を通過するように制御し、
ＰＭを生成しない場合には、前記流体が、前記高効率フィルターを逆流するように制御して、前記高効率フィルターを洗浄する、
内燃機関の排気浄化装置。
前記ＰＭ粒子数が一定値を超えると推定される運転条件が、軽負荷運転条件である、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記高効率フィルターを、空気吸入用エアフィルター又は燃料フィルター又はエンジンオイルフィルターの下流側に配置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。