内燃機関システム
【課題】内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、内燃機関の暖機時における排気中に含まれるＰＭの効率的な除去を実現する。
【解決手段】内燃機関システムにおいて、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、内燃機関の暖機が完了していないとき、該内燃機関の出力を要求出力より低下させる出力低下手段と、出力低下手段により内燃機関の出力低下が行われているとき、該低下された出力に相当する出力を補充する出力補充手段と、を設ける。
【解決手段】内燃機関システムにおいて、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、内燃機関の暖機が完了していないとき、該内燃機関の出力を要求出力より低下させる出力低下手段と、出力低下手段により内燃機関の出力低下が行われているとき、該低下された出力に相当する出力を補充する出力補充手段と、を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に電極を有し、その電極への電圧印加によって排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることにより粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＰＭを凝集させることにより、結果的には、単位体積当たりに含まれるＰＭの粒子数を減少させることができる。また、凝集の結果としてのＰＭは、その粒子径が大きくなるため、例えば、放電電極の下流側にフィルタを設けた場合には、該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９４１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気通路に電極を設け、該電極に電圧印加をすることで排気通路を流れる排気中のＰＭを帯電させて、ＰＭを凝集させることで、排気に含まれる単位体積当たりのＰＭ数を低減させることが可能となる。これは、ＰＭの粒子数に起因する環境への負荷軽減に大きく寄与するものである。
【０００５】
ここで、内燃機関が機関始動した直後においては、その暖機が十分でないため内燃機関全体の温度が低く燃料の燃焼が好適に行われにくい状況にある。そのため、内燃機関から排出される排気に含まれるＰＭ粒子数は、この機関始動直後では比較的多くなる。一方で、燃焼条件を改善するために内燃機関の暖機を早めようと燃焼に供される燃料量を増やすと、そもそも暖機時において排出されるＰＭ粒子数を増やしてしまう。さらに、燃料量が多くなることで排気流量も増えるため、上述の電極を用いたＰＭ凝集を効率的に行うのも困難になる。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、内燃機関の暖機時における排気中に含まれるＰＭの効率的な除去を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するために、内燃機関システムにおいて、内燃機関の暖機が完了していない状態においては、当該内燃機関の機関出力を要求される出力よりも低下させるとともに、その低下分を別に設けられた出力補充手段によって補充する構成とした。この構成により、内燃機関システム全体としては出力の低下を回避しつつ、帯電によるＰＭ凝集の効率を高めて、ＰＭ除去の処理を実現することが可能となる。
【０００８】
詳細には、本発明は、内燃機関と、前記内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、を備える内燃機関システムであって
、更に、前記内燃機関の暖機が完了していないとき、該内燃機関の出力を要求出力より低下させる出力低下手段と、前記出力低下手段により前記内燃機関の出力低下が行われているとき、該低下された出力に相当する出力を補充する出力補充手段と、を備える構成とする。
【０００９】
本発明に係る内燃機関システムでは、粒子状物質処理装置によって、排気通路に設けられた電極への電圧印加が制御されることで、電極と排気通路との間の空間、すなわち排気が流れる空間（以下、「帯電空間」という。）に電流が流れ、以て排気中のＰＭが帯電されることになる。その結果、ＰＭ同士が静電気力によって凝集したり、また、帯電したＰＭが排気通路側へ誘引され、そこでＰＭ同士が凝集したりする結果、排気中のＰＭの粒子径が大きくなるとともに、そこに含まれる単位体積当たりの粒子数を低減することが可能となる。
【００１０】
また、内燃機関の暖機が完了していない状態では、排気中に含まれるＰＭ粒子数が、暖機が完了している場合と比べて多くなる。そこで、この暖機未完了状態におけるＰＭ粒子の除去は、環境負荷の軽減の観点から極めて重要である。一方で、上記粒子状物質処理装置によるＰＭ粒子の除去の効率は、排気流量に大きく依存するものである。これは、排気流量が少ないほどＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に電極による静電作用の影響が大きくなり、帯電したＰＭ同士が凝集しやすくなるからである。したがって、排気流量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭ同士が凝集することになり、効率的なＰＭ除去が実現し得る。
【００１１】
そこで、本発明に係る内燃機関システムでは、内燃機関の暖機が完了していない状態では、出力低下手段によって当該内燃機関の機関出力を本来要求されている出力より低下させることにより、排気通路を流れる排気流量を減少させる。これにより、排気中に含まれるＰＭ粒子数を少なくするとともに、粒子状物質処理装置によるＰＭ除去の効率を上昇させることができる。また、低下させられた機関出力分は、出力補充手段により出力の補充が行われることで、内燃機関システム全体としてのシステム出力は帳尻が合わせられることになり、以て要求された負荷駆動は担保される。出力補充手段としては、システム外に対して出力を供給できるものであれば様々な態様が採用できるが、内燃機関のように燃料の燃焼により排気を排出する態様は好ましくない。
【００１２】
ここで、上記の内燃機関システムにおいて、前記内燃機関を冷却する冷却水の温度に基づいて、該内燃機関の暖機が完了しているか否かを判断する暖機完了判断手段と、前記排気通路を流れる排気中に含まれる粒子状物質の量を推定、又は検出する粒子状物質量推定手段と、を更に備えるように構成してもよい。その場合、前記暖機完了判断手段によって前記冷却水の温度が所定温度より低いと判断され、且つ前記粒子状物質量推定手段により推定又は検出された粒子状物質量が所定量より大きい場合に、前記出力低下手段による前記内燃機関の出力低下と、前記出力補充手段による出力補充が行われる。すなわち、内燃機関の暖機が完了していない状態であって、排気中のＰＭ粒子数が除去すべき程度に多い場合に限って、内燃機関の出力低下および当該低下分の出力補充を行うものである。したがって、内燃機関の暖機が完了していない状態であっても、排気中のＰＭ粒子数が比較的少ない場合には、必ずしも内燃機関の出力低下および当該低下分の出力補充を行う必要は無い。
【００１３】
さらには、内燃機関の暖機が完了していない状態であって、排気中のＰＭ粒子数が除去すべき程度に多い場合であっても、排気流量が比較的少ない場合には、粒子状物質処理装置によるＰＭ除去は効率的に行い得ることから、必ずしも内燃機関の出力低下および当該低下分の出力補充を行う必要は無い。
【００１４】
ここで、上述までの内燃機関システムは、前記内燃機関と電源からの供給電力によって駆動されるモータとによって要求出力に応えるハイブリッドシステムであってもよく、その場合、前記出力低下手段によって前記内燃機関の出力低下が行われるとき、前記モータが前記出力補充手段として出力補充を行う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、内燃機関の暖機時における排気中に含まれるＰＭの効率的な除去を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す内燃機関システムで実行される、排気中のＰＭ粒子数を低減する処理に関するフローチャートである。
【図３】機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。
【図４】内燃機関からの排気流量とＰＭ粒子数とから、印加電圧を算出するためのマップの一例を示した図である。
【図５】図１に示す内燃機関システムで実行される、内燃機関暖機時のＰＭ粒子数の低減処理に関するフローチャートである。
【図６】本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの概略構成を示す第二の図である。
【図７】本発明に係る内燃機関システムを、車両に搭載されたハイブリッドシステムとして構築した場合の該システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置１を有する内燃機関システムの概略構成を示す図である。当該内燃機関システムは、内燃機関１０としてのガソリン機関を有し、その出力がシステムの主な出力として外部への負荷へ供給される。たとえば、当該内燃機関システムは、車両等の移動体上に搭載することができ、システム出力を移動体の駆動力として利用できる。そして、この内燃機関システムにおいて、粒子状物質処理装置１が、ガソリン機関の排気通路２上に設けられている。また、別法として、粒子状物質処理装置１は、内燃機関としてのディーゼル機関の排気通路に設けることもできる。いずれの内燃機関の排気通路に設けられる場合であれ、電極５への電圧印加により排気中のＰＭを帯電させ、ＰＭ同士の凝集を促進させることで、排気中のＰＭの粒径増大、それに伴う粒子数の低減を図ることができる。以下に、粒子状物質処理装置１の詳細を説明する。
【００１９】
粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。なお、本実施例においてはハウジング３の内部の空間が、上記の帯電空間となる。
【００２０】
ここで、排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間には電気的絶縁状態が形成されている。
【００２１】
ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。このため、電極５の端部はハウジング３の中心軸近傍に位置する。また、電極５とハウジング３とが直接接触して電気が流れないように、電極５には電気的絶縁体からなる碍子部５１が設けられている。この碍子部５１は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。このように碍子部５１を介して電極５がハウジング３に取り付けられることで、該電極５がハウジング３内の帯電空間内に位置することになる。
【００２２】
そして、電極５は電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。
【００２３】
また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。このような構成により、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。
【００２４】
なお、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温度センサ７３、エアフローメータ７４が接続されている。アクセル開度センサ７１は、粒子状物質処理装置１が接続された内燃機関を搭載する車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、その機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、当該内燃機関の機関回転数を検出する。温度センサ７３は、当該内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、当該内燃機関の吸入空気量を検出する。
【００２５】
このように構成された粒子状物質処理装置１では、電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出され、電極５とハウジング３との間の帯電空間を通して電流が流れる。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３を通り、設置側電線５３を介して外部へと流れ出る。この結果、ハウジング３へ電子を放出したＰＭ同士は、互いに凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数は低減する。このように、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つ排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数を低減させることができる。
【００２６】
なお、本実施例では、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げているが、これに代えて、下流側に向けて折り曲げてもよい。ここで、本実施例のように、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し難い。すなわち、碍子部５１よりも上流側においてＰＭを帯電されることができるため、該ＰＭがハウジング３の内周面に向かう。このため、碍子部５１に衝突するＰＭが減少するので、該碍子部５１にＰＭが付着し難くなる。しかし、電極５を排気の流れの上流側へ向けて折り曲げると、排気の流れから力を受けて電極５が変形し易い。このため、電極５が短い場合に適している。一方、電極５を排気の流れの下流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し易いが、排気の流れから力を受けても電極５が変形し難い。このため、耐久性及び信頼性が高く、電極５を長くすることができる。
【００２７】
図２は、本実施例に係る印加電圧の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関の稼働に併せて、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。この制御装置７は、実質的にはＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等を含むコンピュータに相当し、そこで制御プログラムが実行されることで図２に示すフローチャートに係る処理や後述する図５に示すフローチャートに係る処理、その他の処理等が実行される。
【００２８】
まず、Ｓ１０１からＳ１０３の処理において、排気中に含まれるＰＭ粒子数（個／ｃｍ３）が算出される。ＰＭ粒子数は、一立方センチメートルあたりのＰＭ粒子の数である。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。
【００２９】
このため、Ｓ１０１では、機関回転数及び機関負荷が取得される。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、Ｓ１０２では、内燃機関の温度が取得される。内燃機関の温度は温度センサ７３により検出される。
【００３０】
Ｓ１０３では、ＰＭ粒子数が算出される。ここで、図３は、機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。この関係は、内燃機関の温度に応じて制御装置７が複数記憶している（図３に示すのは、内燃機関の温度が２０℃の場合のマップである。）。そして、Ｓ１０２で検出された内燃機関の温度に応じたマップを用いて機関回転数及び機関負荷からＰＭ粒子数が求められる。このマップは、予め実験等により準備されている。なお、このようなマップを用いてＰＭ粒子数を検出してもよいが、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を直接検出してもよい。
【００３１】
次に、Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出されるＰＭ粒子数に基づいて電極５への印加電圧が算出される。この印加電圧は、内燃機関が始動し排気通路２内を排気が流れ始めたときに電極５へ最初に印加する電圧である。そして、Ｓ１０４で算出される印加電圧を初期値として、過電流が発生しない範囲で印加電圧が最も大きくなるようにフィードバック制御を行う（Ｓ１０５の処理）。具体的には、検出装置９によって検出される電流値が所定の閾値を超えないように、電極５への印加電圧がフィードバック制御される。ここで、印加電圧の初期値は図４に示すマップに基づいて設定される。
【００３２】
図４は、内燃機関からの排気流量（ｇ／ｓｅｃ）とＰＭ粒子数（×１０５個／ｃｍ３）とから、印加電圧（Ｖ）を算出するためのマップの一例を示した図である。このマップは、予め実験等により準備される。内燃機関からの排気流量は、内燃機関の吸入空気量と相
関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。
【００３３】
ここで、排気通路２を流れる排気流量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、帯電したＰＭ同士が凝集しやすくなる。したがって、排気流量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭ同士が凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、排気流量が少ないほど印加電圧が小さくされている。一方で、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、ＰＭ粒子数が多いほど印加電圧は小さくされている。なお、印加電圧の初期値としては、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような電圧値としてもよく、また、印加電圧の初期値を予め定めておいた規定値としてもよい。この規定値は、過電流が発生しないように余裕を持たせた値とすることができる。
【００３４】
このように、図２に示すように電極５への印加電圧をフィードバック制御することで、過電流が発生しない範囲で印加電圧を可及的に高くすることができる。これにより、ＰＭの凝集をより促進させることができるため、ＰＭ粒子数をより減少させることができる。
【００３５】
ここで、図１に戻ると、本発明に係る内燃機関システムでは、上記のとおり内燃機関１０の出力が主なシステム出力とされるが、内燃機関１０の出力をアシスト可能となるようにモータ１１も配置されている。モータ１１は、図示されないバッテリからの電力供給を受けて駆動可能であり、モータ１１の出力は内燃機関１０の出力と合わさって、内燃機関システムの出力としてシステム外の負荷に供給される。
【００３６】
ここで、本出願人は、内燃機関１０の暖機状態と排気通路２を流れる排気中に含まれるＰＭ粒子数との相関に着目した。内燃機関１０が機関始動した直後であって、十分に暖機されていない状態においては、内燃機関全体の温度も比較的低く、そこでの燃料燃焼が理想的な状態で行われにくいため、排気中に含まれるＰＭ粒子数が、内燃機関の暖機が完了した状態と比べて相対的に多くなる。本出願人の実験によれば、内燃機関を停止状態から一定速度での稼働状態に立ち上げる過程において、内燃機関の暖機が完了していない期間で排出された排気中のＰＭ粒子数の総量は、当該過程において排出された排気中のＰＭ粒子数の総量の７０〜８０％程度をも占めることが判明した。内燃機関の種類や大きさ、立ち上げ時の負荷条件等で排気中のＰＭ粒子数の総量は変動するものではあるが、内燃機関の暖機が完了していない状態では、排気中のＰＭ粒子数が比較的多い状態にあることが理解できる。そこで、以降においては、内燃機関１０の暖機時おけるＰＭ除去処理について、図５に基づいて詳細に説明する。この暖機時ＰＭ除去処理は、上述したように制御装置７によって実行される。
【００３７】
先ず、Ｓ２０１では、内燃機関１０の暖機状態の検出が行われる。暖機状態とは、内燃機関１０において良好な燃料の燃焼が行われる程度に、内燃機関１０自体が十分に暖機されている状態を表し、本実施例では、温度センサ７３によって検出される内燃機関１０の冷却水温度に基づいて判断することとする。例えば、検出された冷却水温度が６０℃を下回る場合には、内燃機関１０は十分に暖機された状態ではないと判断することができる（後述するＳ２０５の処理を参照）。そこで、Ｓ２０１では暖機状態を表すパラメータとして、内燃機関１０の冷却水温度が取得される。また別法として、内燃機関１０のオイル温度も暖機状態の判断のためのパラメータとして採用できる。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２で本発明に係る内燃機関システムによる負荷駆動のための要求出力の算出が行われる。具体的には、アクセル開度センサ７１によって検出されるアクセル開度や、車両に搭載されている補機類等の駆動に必要な電力等を考慮して、内燃機関１０によって発揮
するように要求される出力が算出される。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。
【００３８】
Ｓ２０３では、内燃機関１０の機関運転状態の検出が行われる。具体的には、クランクポジションセンサ７２の検出信号に基づいて機関回転数の算出が行われ、また、上記アクセル開度センサ７１の検出信号に基づいて機関負荷の算出が行われる。これらの機関運転状態に関するパラメータに基づいて、Ｓ２０４で、排気中のＰＭ粒子数の推定が行われる。具体的には、図３に示したマップを利用して、上記機関回転数、機関負荷、そして内燃機関１０の冷却水温度に基づいて排気中のＰＭ粒子数が推定される。Ｓ２０４の処理が終了すると、Ｓ２０５へ進む。
【００３９】
Ｓ２０５では、Ｓ２０１で検出された冷却水温度が、内燃機関１０の暖機状態を判定するための基準温度Ｔ０より低いか否かが判定される。本実施例では、上記のとおり基準温度Ｔ０は６０℃とするが、内燃機関１０における燃焼状態を考慮して適宜調整してもよい。そしてＳ２０５で肯定判定されると、すなわち内燃機関１０の暖機状態が十分でないと判定されるとＳ２０６へ進み、一方で、Ｓ２０５で否定判定されると、すなわち内燃機関１０の暖機が完了したと判定されると本暖機時ＰＭ除去処理を一度終了し、再び最初から繰り返される。
【００４０】
Ｓ２０５で肯定判定された後、Ｓ２０６では、Ｓ２０４で推定されたＰＭ粒子数が排気中のＰＭ除去を行うべきか否かを判定するための基準粒子数ＰＭ０より多いか否かが判定される。ここで肯定判定されると、すなわち排気中には除去すべき程度に多くのＰＭが含まれていると判定されるとＳ２０７へ進み、一方で、否定判定されると、すなわち排気中には除去すべき程度の量のＰＭは含まれていないと判定されると本暖機時ＰＭ除去処理を一度終了し、再び最初から繰り返される。
【００４１】
Ｓ２０６で肯定判定された以降のＳ２０７〜Ｓ２１０の処理は、実質的に排気中のＰＭを除去する処理に相当する。ここで、Ｓ２０７では、内燃機関１０の機関出力が低下される。当該機関出力の低下の目的は、排気通路２を流れる排気流量を抑制することにある。上述したように、排気通路２を流れる排気流量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、電極５への電圧印加に起因する静電作用の影響が相対的に大きくなり、帯電したＰＭ同士が凝集しやすくなる。そこで、この点を踏まえて、効率的なＰＭ凝集を実現し得る排気流量の上限を設定し、排気通路２における排気流量がその上限値に下がるまで内燃機関１０の機関出力を低下させる。なお、この上限となる排気流量に対応する内燃機関１０の機関出力は、内燃機関１０での燃焼が不安定とならない値であるのが好ましい。そして、Ｓ２０８において、図２に示したＰＭ除去のための電極５への電圧印加が実行される。
【００４２】
ここで、Ｓ２０９において、モータ１１によるシステム出力のアシストが実行される。Ｓ２０７で排気流量を抑制するために内燃機関１０の機関出力が低下されたことで、このままでは本発明に係る内燃機関システムのシステム出力が低下してしまい、要求された負荷駆動の実現が図れなくなる。そこで、Ｓ２０９では、Ｓ２０７で低下された内燃機関１０の機関出力に相当する出力をモータ１１で補充するべく該モータ１１によるアシストが行われる。Ｓ２０９の処理が終了すると、Ｓ２１０へ進む。
【００４３】
Ｓ２１０では、現時点における排気中のＰＭ粒子数が、ＰＭを十分に除去したと判断するための基準ＰＭ粒子数であるＰＭ１より少ないか否かが判定される。なお、現時点におけるＰＭ粒子数は、Ｓ２０４で推定されたＰＭ粒子数と、Ｓ２０８で行われた電極５への電圧印加時間等を踏まえて推定する。すなわち、電極５への電圧印加時間が長いほど排気中のＰＭ粒子数が低減されることを考慮して、現時点における排気中のＰＭ粒子数を推定すればよい。また、Ｓ２０７の処理により内燃機関１０の機関出力が低下されていること
も考慮して現時点における排気中のＰＭ粒子数を推定するのが好ましい。そして、Ｓ２１０で肯定判定されると、本暖機時ＰＭ除去処理を終了し、再び最初から繰り返される。また否定判定されると、Ｓ２０７以降の処理が繰り返される。
【００４４】
上述した暖機時ＰＭ除去処理によれば、内燃機関１０の暖機が十分に行われていない場合には、その機関出力を低下させて排気通路２における排気流量を抑制することで、粒子状物質処理装置１によるＰＭ除去が効率的に行い得る状況を整えることができる。その場合、内燃機関１０の機関出力の低下分はモータ１１によって補充されるため、内燃機関システム全体でみれば、その出力低下は回避でき、負荷駆動のために要求される出力を賄うことが可能となる。なお、上記の暖機時ＰＭ除去処理では、Ｓ２１０の判定で現時点におけるＰＭ粒子数を推定する際に、Ｓ２０７での機関出力の低下を考慮して当該ＰＭ粒子数の推定が行われているため、必然的に推定されるＰＭ粒子数の値も低下する。しかし、本暖機時ＰＭ除去処理は、Ｓ２１０で肯定判定された後に再び処理が繰り返されることから、その間に内燃機関１０の暖機が促進され、結果的に内燃機関１０の暖機が完了するまでは、その出力は低下された状態に維持され、効率的なＰＭ除去の状況、すなわち排気の低流量状態は保持されることになる。
【００４５】
また、上記暖機時ＰＭ除去処理では、冷却水温度がＴ０より低く、且つ排気中のＰＭ粒子数が基準ＰＭ粒子数であるＰＭ０より多い場合に、Ｓ２０７〜Ｓ２１０の処理が行われるが、これらの条件が成立する場合であっても、排気通路２を流れる排気流量が、所定の流量（たとえば、Ｓ２０７に関して上述した排気流量の上限値）を下回っている場合には、内燃機関１０の機関出力を低下させなくてもＰＭの効率的な除去が見込まれることから、Ｓ２０７およびＳ２０９の処理は行わずに、Ｓ２０８の処理のみを行うようにしてもよい。
【実施例２】
【００４６】
図６に、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの別の実施例に関する概略構成を示す。図６に示す粒子状物質処理装置１００を有する内燃機関システムと図１に示す粒子状物質処理装置１を有する内燃機関システムと異なる点について説明する。図６に示す粒子状物質処理装置１００では、電源６と、電極５と、の間の電源側電線５２に、該電源側電線５２を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。このように、検出装置９を電源側電線５２に設けることにより、図１に示される絶縁部４は必要ない。すなわち、ハウジング３から排気通路２側へ電気が流れたとしても、検出装置９によれば電極５を通る電流を検出することができる。しかし、一般に、電源側電線５２のほうが接地側電線５３よりも、径が太く且つ長さが長くなるため、電気的な容量が大きくなる。したがって、図６に示す粒子状物質処理装置１００については、コロナ放電などの強い放電が発生したとしても、図１に示す粒子状物質処理装置１と比べてパルス電流を検出し難くなる。
【００４７】
そこで、たとえば、図２に示す印加電圧のフィードバック制御を行う際に、パルス電流等の高周波成分を有する電流を検出し、それをフィードバック制御に反映させる必要がある場合には、図１に示す粒子状物質処理装置１が有用であり、そのような必要がない場合には、図６に示す形態の粒子状物質処理装置１００も採用し得る。
【実施例３】
【００４８】
図７に、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの、より具体的な一例を示す。図７に示す内燃機関システムは、車両に搭載されたいわゆるハイブリッドシステムであって、車両の駆動源として内燃機関とモータジェネレータ（以下、単に「モータ」という）を備えるシステムである。ここで、図７中の内燃機関１０は、図１等に示された内燃機関１０と同一であり、内燃機関１の吸排気系や粒子状物質処理装置の表示は省
略されている。また、該ハイブリッドシステムにおける補助動力源としては、モータ１１ａおよびモータ１１ｂが設けられている。以下、該ハイブリッドシステムの説明を行う。
【００４９】
内燃機関１０のクランクシャフトは出力軸１３に連結され、出力軸１３は動力分割機構１２に連結されている。動力分割機構１２は、動力伝達軸１４を介してモータ１１ａと連結されるとともに、動力伝達軸１５を介してモータ１１ｂとも連結されている。ここで、前記動力分割機構１２は、遊星歯車機構によって内燃機関および補助動力源の出力等の伝達を切り替える。
【００５０】
前記モータ１１ｂに連結される動力伝達軸１５には、減速機１６が連結され、減速機１６には、ドライブシャフト１７を介して駆動輪１８が連結されている。減速機１６は、複数の歯車を組み合わせて構成され、動力伝達軸１５の回転速度を減速して、内燃機関１０、モータ１１ａ及びモータ１１ｂからの出力をドライブシャフト１７に伝達する。
【００５１】
ここで、モータ１１ａおよび１１ｂは、図示されないインバータと電気的に接続され、当該インバータは、更に図示されないバッテリ（図１におけるバッテリ８と同じであってもよい）と電気的に接続されている。モータ１１ａおよび１１ｂは、交流同期型の電動機で構成され、励磁電流が印加されるとトルクを発生するとともに、外部からトルクが加えられると、例えば前記内燃機関１０から動力分割機構１２を介して運動エネルギーが入力されると、その運動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって電力を発生させる。発生した電力はインバータを介してバッテリへ蓄積される。また、モータ１１ｂは、車両の減速時に発電機として作用し、駆動輪１８からドライブシャフト１７及び減速機１６を介して動力伝達軸１５に伝達される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する、いわゆる回生発電を行う。
【００５２】
上記のような構成のハイブリッドシステムには、内燃機関１０を制御するための電子制御ユニットであるエンジンＥＣＵと、モータ１１ａおよびモータ１１ｂに対して電力を供給するインバータを制御するための電子制御ユニットであるモータＥＣＵと、バッテリを制御するための電子制御ユニットであるバッテリと、エンジンＥＣＵ、モータＥＣＵおよびバッテリＥＣＵを含めたハイブリッドシステム全体を総合的に制御するための電子制御ユニットであるハイブリッドＥＣＵ等の様々な制御装置が設けられており、当該制御装置が図１に示す制御装置７の一部を形成する。
【００５３】
ここで、例えばエンジンＥＣＵとモータＥＣＵは、ハイブリッドＥＣＵから要求されるトルクを内燃機関１０とモータ１１ａ、１１ｂが発揮すべく、燃料噴射量やインバータを制御する。また、バッテリＥＣＵは、バッテリでの蓄電量の監視等を行う。そこで、バッテリＥＣＵからの信号に基づいて、バッテリの蓄電量が低下しているとハイブリッドＥＣＵが判断すると、内燃機関１０の機関出力による発電をモータ１１ａに伝達させることで発電を行い、モータ１１ａで発電された電気がインバータを介してバッテリへ蓄電される。
【００５４】
このように構成されるハイブリッドシステムにおいて、要求されるシステム出力の達成のために本来、内燃機関１０とモータ１１ａ、１１ｂが発揮すべき出力がそれぞれ割り当てられることになるが、図５に示す暖機時ＰＭ除去処理でのＳ２０７〜Ｓ２１０の処理が行われる際には、内燃機関１０の機関出力が本来発揮すべき出力から低下されるとともに、その低下分を補充すべくモータ１１ａ、１１ｂの出力が増加されることになる。このように、内燃機関１０の出力低下分を補充するモータは、本来的にシステム全体の出力を担う構成であってもよく、別法として、当該出力低下分を補うためだけに設けられた構成であってもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・・粒子状物質処理装置
２・・・・排気通路
３・・・・ハウジング
４・・・・絶縁部
５・・・・電極
６・・・・電源
７・・・・制御装置
８・・・・バッテリ
９・・・・検出装置
１０・・・・内燃機関
１１、１１ａ、１１ｂ・・・・モータ（モータジェネレータ）
１００・・・・粒子状物質処理装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に電極を有し、その電極への電圧印加によって排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることにより粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＰＭを凝集させることにより、結果的には、単位体積当たりに含まれるＰＭの粒子数を減少させることができる。また、凝集の結果としてのＰＭは、その粒子径が大きくなるため、例えば、放電電極の下流側にフィルタを設けた場合には、該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９４１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気通路に電極を設け、該電極に電圧印加をすることで排気通路を流れる排気中のＰＭを帯電させて、ＰＭを凝集させることで、排気に含まれる単位体積当たりのＰＭ数を低減させることが可能となる。これは、ＰＭの粒子数に起因する環境への負荷軽減に大きく寄与するものである。
【０００５】
ここで、内燃機関が機関始動した直後においては、その暖機が十分でないため内燃機関全体の温度が低く燃料の燃焼が好適に行われにくい状況にある。そのため、内燃機関から排出される排気に含まれるＰＭ粒子数は、この機関始動直後では比較的多くなる。一方で、燃焼条件を改善するために内燃機関の暖機を早めようと燃焼に供される燃料量を増やすと、そもそも暖機時において排出されるＰＭ粒子数を増やしてしまう。さらに、燃料量が多くなることで排気流量も増えるため、上述の電極を用いたＰＭ凝集を効率的に行うのも困難になる。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、内燃機関の暖機時における排気中に含まれるＰＭの効率的な除去を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するために、内燃機関システムにおいて、内燃機関の暖機が完了していない状態においては、当該内燃機関の機関出力を要求される出力よりも低下させるとともに、その低下分を別に設けられた出力補充手段によって補充する構成とした。この構成により、内燃機関システム全体としては出力の低下を回避しつつ、帯電によるＰＭ凝集の効率を高めて、ＰＭ除去の処理を実現することが可能となる。
【０００８】
詳細には、本発明は、内燃機関と、前記内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、を備える内燃機関システムであって
、更に、前記内燃機関の暖機が完了していないとき、該内燃機関の出力を要求出力より低下させる出力低下手段と、前記出力低下手段により前記内燃機関の出力低下が行われているとき、該低下された出力に相当する出力を補充する出力補充手段と、を備える構成とする。
【０００９】
本発明に係る内燃機関システムでは、粒子状物質処理装置によって、排気通路に設けられた電極への電圧印加が制御されることで、電極と排気通路との間の空間、すなわち排気が流れる空間（以下、「帯電空間」という。）に電流が流れ、以て排気中のＰＭが帯電されることになる。その結果、ＰＭ同士が静電気力によって凝集したり、また、帯電したＰＭが排気通路側へ誘引され、そこでＰＭ同士が凝集したりする結果、排気中のＰＭの粒子径が大きくなるとともに、そこに含まれる単位体積当たりの粒子数を低減することが可能となる。
【００１０】
また、内燃機関の暖機が完了していない状態では、排気中に含まれるＰＭ粒子数が、暖機が完了している場合と比べて多くなる。そこで、この暖機未完了状態におけるＰＭ粒子の除去は、環境負荷の軽減の観点から極めて重要である。一方で、上記粒子状物質処理装置によるＰＭ粒子の除去の効率は、排気流量に大きく依存するものである。これは、排気流量が少ないほどＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に電極による静電作用の影響が大きくなり、帯電したＰＭ同士が凝集しやすくなるからである。したがって、排気流量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭ同士が凝集することになり、効率的なＰＭ除去が実現し得る。
【００１１】
そこで、本発明に係る内燃機関システムでは、内燃機関の暖機が完了していない状態では、出力低下手段によって当該内燃機関の機関出力を本来要求されている出力より低下させることにより、排気通路を流れる排気流量を減少させる。これにより、排気中に含まれるＰＭ粒子数を少なくするとともに、粒子状物質処理装置によるＰＭ除去の効率を上昇させることができる。また、低下させられた機関出力分は、出力補充手段により出力の補充が行われることで、内燃機関システム全体としてのシステム出力は帳尻が合わせられることになり、以て要求された負荷駆動は担保される。出力補充手段としては、システム外に対して出力を供給できるものであれば様々な態様が採用できるが、内燃機関のように燃料の燃焼により排気を排出する態様は好ましくない。
【００１２】
ここで、上記の内燃機関システムにおいて、前記内燃機関を冷却する冷却水の温度に基づいて、該内燃機関の暖機が完了しているか否かを判断する暖機完了判断手段と、前記排気通路を流れる排気中に含まれる粒子状物質の量を推定、又は検出する粒子状物質量推定手段と、を更に備えるように構成してもよい。その場合、前記暖機完了判断手段によって前記冷却水の温度が所定温度より低いと判断され、且つ前記粒子状物質量推定手段により推定又は検出された粒子状物質量が所定量より大きい場合に、前記出力低下手段による前記内燃機関の出力低下と、前記出力補充手段による出力補充が行われる。すなわち、内燃機関の暖機が完了していない状態であって、排気中のＰＭ粒子数が除去すべき程度に多い場合に限って、内燃機関の出力低下および当該低下分の出力補充を行うものである。したがって、内燃機関の暖機が完了していない状態であっても、排気中のＰＭ粒子数が比較的少ない場合には、必ずしも内燃機関の出力低下および当該低下分の出力補充を行う必要は無い。
【００１３】
さらには、内燃機関の暖機が完了していない状態であって、排気中のＰＭ粒子数が除去すべき程度に多い場合であっても、排気流量が比較的少ない場合には、粒子状物質処理装置によるＰＭ除去は効率的に行い得ることから、必ずしも内燃機関の出力低下および当該低下分の出力補充を行う必要は無い。
【００１４】
ここで、上述までの内燃機関システムは、前記内燃機関と電源からの供給電力によって駆動されるモータとによって要求出力に応えるハイブリッドシステムであってもよく、その場合、前記出力低下手段によって前記内燃機関の出力低下が行われるとき、前記モータが前記出力補充手段として出力補充を行う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムにおいて、内燃機関の暖機時における排気中に含まれるＰＭの効率的な除去を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す内燃機関システムで実行される、排気中のＰＭ粒子数を低減する処理に関するフローチャートである。
【図３】機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。
【図４】内燃機関からの排気流量とＰＭ粒子数とから、印加電圧を算出するためのマップの一例を示した図である。
【図５】図１に示す内燃機関システムで実行される、内燃機関暖機時のＰＭ粒子数の低減処理に関するフローチャートである。
【図６】本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの概略構成を示す第二の図である。
【図７】本発明に係る内燃機関システムを、車両に搭載されたハイブリッドシステムとして構築した場合の該システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例に係る粒子状物質処理装置１を有する内燃機関システムの概略構成を示す図である。当該内燃機関システムは、内燃機関１０としてのガソリン機関を有し、その出力がシステムの主な出力として外部への負荷へ供給される。たとえば、当該内燃機関システムは、車両等の移動体上に搭載することができ、システム出力を移動体の駆動力として利用できる。そして、この内燃機関システムにおいて、粒子状物質処理装置１が、ガソリン機関の排気通路２上に設けられている。また、別法として、粒子状物質処理装置１は、内燃機関としてのディーゼル機関の排気通路に設けることもできる。いずれの内燃機関の排気通路に設けられる場合であれ、電極５への電圧印加により排気中のＰＭを帯電させ、ＰＭ同士の凝集を促進させることで、排気中のＰＭの粒径増大、それに伴う粒子数の低減を図ることができる。以下に、粒子状物質処理装置１の詳細を説明する。
【００１９】
粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。なお、本実施例においてはハウジング３の内部の空間が、上記の帯電空間となる。
【００２０】
ここで、排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間には電気的絶縁状態が形成されている。
【００２１】
ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。このため、電極５の端部はハウジング３の中心軸近傍に位置する。また、電極５とハウジング３とが直接接触して電気が流れないように、電極５には電気的絶縁体からなる碍子部５１が設けられている。この碍子部５１は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。このように碍子部５１を介して電極５がハウジング３に取り付けられることで、該電極５がハウジング３内の帯電空間内に位置することになる。
【００２２】
そして、電極５は電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。
【００２３】
また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。このような構成により、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。
【００２４】
なお、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温度センサ７３、エアフローメータ７４が接続されている。アクセル開度センサ７１は、粒子状物質処理装置１が接続された内燃機関を搭載する車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、その機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、当該内燃機関の機関回転数を検出する。温度センサ７３は、当該内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、当該内燃機関の吸入空気量を検出する。
【００２５】
このように構成された粒子状物質処理装置１では、電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出され、電極５とハウジング３との間の帯電空間を通して電流が流れる。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３を通り、設置側電線５３を介して外部へと流れ出る。この結果、ハウジング３へ電子を放出したＰＭ同士は、互いに凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数は低減する。このように、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つ排気中の単位体積当たりのＰＭの粒子数を低減させることができる。
【００２６】
なお、本実施例では、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げているが、これに代えて、下流側に向けて折り曲げてもよい。ここで、本実施例のように、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し難い。すなわち、碍子部５１よりも上流側においてＰＭを帯電されることができるため、該ＰＭがハウジング３の内周面に向かう。このため、碍子部５１に衝突するＰＭが減少するので、該碍子部５１にＰＭが付着し難くなる。しかし、電極５を排気の流れの上流側へ向けて折り曲げると、排気の流れから力を受けて電極５が変形し易い。このため、電極５が短い場合に適している。一方、電極５を排気の流れの下流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し易いが、排気の流れから力を受けても電極５が変形し難い。このため、耐久性及び信頼性が高く、電極５を長くすることができる。
【００２７】
図２は、本実施例に係る印加電圧の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関の稼働に併せて、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。この制御装置７は、実質的にはＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等を含むコンピュータに相当し、そこで制御プログラムが実行されることで図２に示すフローチャートに係る処理や後述する図５に示すフローチャートに係る処理、その他の処理等が実行される。
【００２８】
まず、Ｓ１０１からＳ１０３の処理において、排気中に含まれるＰＭ粒子数（個／ｃｍ３）が算出される。ＰＭ粒子数は、一立方センチメートルあたりのＰＭ粒子の数である。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。
【００２９】
このため、Ｓ１０１では、機関回転数及び機関負荷が取得される。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、Ｓ１０２では、内燃機関の温度が取得される。内燃機関の温度は温度センサ７３により検出される。
【００３０】
Ｓ１０３では、ＰＭ粒子数が算出される。ここで、図３は、機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。この関係は、内燃機関の温度に応じて制御装置７が複数記憶している（図３に示すのは、内燃機関の温度が２０℃の場合のマップである。）。そして、Ｓ１０２で検出された内燃機関の温度に応じたマップを用いて機関回転数及び機関負荷からＰＭ粒子数が求められる。このマップは、予め実験等により準備されている。なお、このようなマップを用いてＰＭ粒子数を検出してもよいが、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を直接検出してもよい。
【００３１】
次に、Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出されるＰＭ粒子数に基づいて電極５への印加電圧が算出される。この印加電圧は、内燃機関が始動し排気通路２内を排気が流れ始めたときに電極５へ最初に印加する電圧である。そして、Ｓ１０４で算出される印加電圧を初期値として、過電流が発生しない範囲で印加電圧が最も大きくなるようにフィードバック制御を行う（Ｓ１０５の処理）。具体的には、検出装置９によって検出される電流値が所定の閾値を超えないように、電極５への印加電圧がフィードバック制御される。ここで、印加電圧の初期値は図４に示すマップに基づいて設定される。
【００３２】
図４は、内燃機関からの排気流量（ｇ／ｓｅｃ）とＰＭ粒子数（×１０５個／ｃｍ３）とから、印加電圧（Ｖ）を算出するためのマップの一例を示した図である。このマップは、予め実験等により準備される。内燃機関からの排気流量は、内燃機関の吸入空気量と相
関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。
【００３３】
ここで、排気通路２を流れる排気流量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、帯電したＰＭ同士が凝集しやすくなる。したがって、排気流量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭ同士が凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、排気流量が少ないほど印加電圧が小さくされている。一方で、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。この点を踏まえて、図４に示すマップでは、ＰＭ粒子数が多いほど印加電圧は小さくされている。なお、印加電圧の初期値としては、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような電圧値としてもよく、また、印加電圧の初期値を予め定めておいた規定値としてもよい。この規定値は、過電流が発生しないように余裕を持たせた値とすることができる。
【００３４】
このように、図２に示すように電極５への印加電圧をフィードバック制御することで、過電流が発生しない範囲で印加電圧を可及的に高くすることができる。これにより、ＰＭの凝集をより促進させることができるため、ＰＭ粒子数をより減少させることができる。
【００３５】
ここで、図１に戻ると、本発明に係る内燃機関システムでは、上記のとおり内燃機関１０の出力が主なシステム出力とされるが、内燃機関１０の出力をアシスト可能となるようにモータ１１も配置されている。モータ１１は、図示されないバッテリからの電力供給を受けて駆動可能であり、モータ１１の出力は内燃機関１０の出力と合わさって、内燃機関システムの出力としてシステム外の負荷に供給される。
【００３６】
ここで、本出願人は、内燃機関１０の暖機状態と排気通路２を流れる排気中に含まれるＰＭ粒子数との相関に着目した。内燃機関１０が機関始動した直後であって、十分に暖機されていない状態においては、内燃機関全体の温度も比較的低く、そこでの燃料燃焼が理想的な状態で行われにくいため、排気中に含まれるＰＭ粒子数が、内燃機関の暖機が完了した状態と比べて相対的に多くなる。本出願人の実験によれば、内燃機関を停止状態から一定速度での稼働状態に立ち上げる過程において、内燃機関の暖機が完了していない期間で排出された排気中のＰＭ粒子数の総量は、当該過程において排出された排気中のＰＭ粒子数の総量の７０〜８０％程度をも占めることが判明した。内燃機関の種類や大きさ、立ち上げ時の負荷条件等で排気中のＰＭ粒子数の総量は変動するものではあるが、内燃機関の暖機が完了していない状態では、排気中のＰＭ粒子数が比較的多い状態にあることが理解できる。そこで、以降においては、内燃機関１０の暖機時おけるＰＭ除去処理について、図５に基づいて詳細に説明する。この暖機時ＰＭ除去処理は、上述したように制御装置７によって実行される。
【００３７】
先ず、Ｓ２０１では、内燃機関１０の暖機状態の検出が行われる。暖機状態とは、内燃機関１０において良好な燃料の燃焼が行われる程度に、内燃機関１０自体が十分に暖機されている状態を表し、本実施例では、温度センサ７３によって検出される内燃機関１０の冷却水温度に基づいて判断することとする。例えば、検出された冷却水温度が６０℃を下回る場合には、内燃機関１０は十分に暖機された状態ではないと判断することができる（後述するＳ２０５の処理を参照）。そこで、Ｓ２０１では暖機状態を表すパラメータとして、内燃機関１０の冷却水温度が取得される。また別法として、内燃機関１０のオイル温度も暖機状態の判断のためのパラメータとして採用できる。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２で本発明に係る内燃機関システムによる負荷駆動のための要求出力の算出が行われる。具体的には、アクセル開度センサ７１によって検出されるアクセル開度や、車両に搭載されている補機類等の駆動に必要な電力等を考慮して、内燃機関１０によって発揮
するように要求される出力が算出される。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。
【００３８】
Ｓ２０３では、内燃機関１０の機関運転状態の検出が行われる。具体的には、クランクポジションセンサ７２の検出信号に基づいて機関回転数の算出が行われ、また、上記アクセル開度センサ７１の検出信号に基づいて機関負荷の算出が行われる。これらの機関運転状態に関するパラメータに基づいて、Ｓ２０４で、排気中のＰＭ粒子数の推定が行われる。具体的には、図３に示したマップを利用して、上記機関回転数、機関負荷、そして内燃機関１０の冷却水温度に基づいて排気中のＰＭ粒子数が推定される。Ｓ２０４の処理が終了すると、Ｓ２０５へ進む。
【００３９】
Ｓ２０５では、Ｓ２０１で検出された冷却水温度が、内燃機関１０の暖機状態を判定するための基準温度Ｔ０より低いか否かが判定される。本実施例では、上記のとおり基準温度Ｔ０は６０℃とするが、内燃機関１０における燃焼状態を考慮して適宜調整してもよい。そしてＳ２０５で肯定判定されると、すなわち内燃機関１０の暖機状態が十分でないと判定されるとＳ２０６へ進み、一方で、Ｓ２０５で否定判定されると、すなわち内燃機関１０の暖機が完了したと判定されると本暖機時ＰＭ除去処理を一度終了し、再び最初から繰り返される。
【００４０】
Ｓ２０５で肯定判定された後、Ｓ２０６では、Ｓ２０４で推定されたＰＭ粒子数が排気中のＰＭ除去を行うべきか否かを判定するための基準粒子数ＰＭ０より多いか否かが判定される。ここで肯定判定されると、すなわち排気中には除去すべき程度に多くのＰＭが含まれていると判定されるとＳ２０７へ進み、一方で、否定判定されると、すなわち排気中には除去すべき程度の量のＰＭは含まれていないと判定されると本暖機時ＰＭ除去処理を一度終了し、再び最初から繰り返される。
【００４１】
Ｓ２０６で肯定判定された以降のＳ２０７〜Ｓ２１０の処理は、実質的に排気中のＰＭを除去する処理に相当する。ここで、Ｓ２０７では、内燃機関１０の機関出力が低下される。当該機関出力の低下の目的は、排気通路２を流れる排気流量を抑制することにある。上述したように、排気通路２を流れる排気流量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、電極５への電圧印加に起因する静電作用の影響が相対的に大きくなり、帯電したＰＭ同士が凝集しやすくなる。そこで、この点を踏まえて、効率的なＰＭ凝集を実現し得る排気流量の上限を設定し、排気通路２における排気流量がその上限値に下がるまで内燃機関１０の機関出力を低下させる。なお、この上限となる排気流量に対応する内燃機関１０の機関出力は、内燃機関１０での燃焼が不安定とならない値であるのが好ましい。そして、Ｓ２０８において、図２に示したＰＭ除去のための電極５への電圧印加が実行される。
【００４２】
ここで、Ｓ２０９において、モータ１１によるシステム出力のアシストが実行される。Ｓ２０７で排気流量を抑制するために内燃機関１０の機関出力が低下されたことで、このままでは本発明に係る内燃機関システムのシステム出力が低下してしまい、要求された負荷駆動の実現が図れなくなる。そこで、Ｓ２０９では、Ｓ２０７で低下された内燃機関１０の機関出力に相当する出力をモータ１１で補充するべく該モータ１１によるアシストが行われる。Ｓ２０９の処理が終了すると、Ｓ２１０へ進む。
【００４３】
Ｓ２１０では、現時点における排気中のＰＭ粒子数が、ＰＭを十分に除去したと判断するための基準ＰＭ粒子数であるＰＭ１より少ないか否かが判定される。なお、現時点におけるＰＭ粒子数は、Ｓ２０４で推定されたＰＭ粒子数と、Ｓ２０８で行われた電極５への電圧印加時間等を踏まえて推定する。すなわち、電極５への電圧印加時間が長いほど排気中のＰＭ粒子数が低減されることを考慮して、現時点における排気中のＰＭ粒子数を推定すればよい。また、Ｓ２０７の処理により内燃機関１０の機関出力が低下されていること
も考慮して現時点における排気中のＰＭ粒子数を推定するのが好ましい。そして、Ｓ２１０で肯定判定されると、本暖機時ＰＭ除去処理を終了し、再び最初から繰り返される。また否定判定されると、Ｓ２０７以降の処理が繰り返される。
【００４４】
上述した暖機時ＰＭ除去処理によれば、内燃機関１０の暖機が十分に行われていない場合には、その機関出力を低下させて排気通路２における排気流量を抑制することで、粒子状物質処理装置１によるＰＭ除去が効率的に行い得る状況を整えることができる。その場合、内燃機関１０の機関出力の低下分はモータ１１によって補充されるため、内燃機関システム全体でみれば、その出力低下は回避でき、負荷駆動のために要求される出力を賄うことが可能となる。なお、上記の暖機時ＰＭ除去処理では、Ｓ２１０の判定で現時点におけるＰＭ粒子数を推定する際に、Ｓ２０７での機関出力の低下を考慮して当該ＰＭ粒子数の推定が行われているため、必然的に推定されるＰＭ粒子数の値も低下する。しかし、本暖機時ＰＭ除去処理は、Ｓ２１０で肯定判定された後に再び処理が繰り返されることから、その間に内燃機関１０の暖機が促進され、結果的に内燃機関１０の暖機が完了するまでは、その出力は低下された状態に維持され、効率的なＰＭ除去の状況、すなわち排気の低流量状態は保持されることになる。
【００４５】
また、上記暖機時ＰＭ除去処理では、冷却水温度がＴ０より低く、且つ排気中のＰＭ粒子数が基準ＰＭ粒子数であるＰＭ０より多い場合に、Ｓ２０７〜Ｓ２１０の処理が行われるが、これらの条件が成立する場合であっても、排気通路２を流れる排気流量が、所定の流量（たとえば、Ｓ２０７に関して上述した排気流量の上限値）を下回っている場合には、内燃機関１０の機関出力を低下させなくてもＰＭの効率的な除去が見込まれることから、Ｓ２０７およびＳ２０９の処理は行わずに、Ｓ２０８の処理のみを行うようにしてもよい。
【実施例２】
【００４６】
図６に、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの別の実施例に関する概略構成を示す。図６に示す粒子状物質処理装置１００を有する内燃機関システムと図１に示す粒子状物質処理装置１を有する内燃機関システムと異なる点について説明する。図６に示す粒子状物質処理装置１００では、電源６と、電極５と、の間の電源側電線５２に、該電源側電線５２を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。このように、検出装置９を電源側電線５２に設けることにより、図１に示される絶縁部４は必要ない。すなわち、ハウジング３から排気通路２側へ電気が流れたとしても、検出装置９によれば電極５を通る電流を検出することができる。しかし、一般に、電源側電線５２のほうが接地側電線５３よりも、径が太く且つ長さが長くなるため、電気的な容量が大きくなる。したがって、図６に示す粒子状物質処理装置１００については、コロナ放電などの強い放電が発生したとしても、図１に示す粒子状物質処理装置１と比べてパルス電流を検出し難くなる。
【００４７】
そこで、たとえば、図２に示す印加電圧のフィードバック制御を行う際に、パルス電流等の高周波成分を有する電流を検出し、それをフィードバック制御に反映させる必要がある場合には、図１に示す粒子状物質処理装置１が有用であり、そのような必要がない場合には、図６に示す形態の粒子状物質処理装置１００も採用し得る。
【実施例３】
【００４８】
図７に、本発明に係る粒子状物質処理装置を有する内燃機関システムの、より具体的な一例を示す。図７に示す内燃機関システムは、車両に搭載されたいわゆるハイブリッドシステムであって、車両の駆動源として内燃機関とモータジェネレータ（以下、単に「モータ」という）を備えるシステムである。ここで、図７中の内燃機関１０は、図１等に示された内燃機関１０と同一であり、内燃機関１の吸排気系や粒子状物質処理装置の表示は省
略されている。また、該ハイブリッドシステムにおける補助動力源としては、モータ１１ａおよびモータ１１ｂが設けられている。以下、該ハイブリッドシステムの説明を行う。
【００４９】
内燃機関１０のクランクシャフトは出力軸１３に連結され、出力軸１３は動力分割機構１２に連結されている。動力分割機構１２は、動力伝達軸１４を介してモータ１１ａと連結されるとともに、動力伝達軸１５を介してモータ１１ｂとも連結されている。ここで、前記動力分割機構１２は、遊星歯車機構によって内燃機関および補助動力源の出力等の伝達を切り替える。
【００５０】
前記モータ１１ｂに連結される動力伝達軸１５には、減速機１６が連結され、減速機１６には、ドライブシャフト１７を介して駆動輪１８が連結されている。減速機１６は、複数の歯車を組み合わせて構成され、動力伝達軸１５の回転速度を減速して、内燃機関１０、モータ１１ａ及びモータ１１ｂからの出力をドライブシャフト１７に伝達する。
【００５１】
ここで、モータ１１ａおよび１１ｂは、図示されないインバータと電気的に接続され、当該インバータは、更に図示されないバッテリ（図１におけるバッテリ８と同じであってもよい）と電気的に接続されている。モータ１１ａおよび１１ｂは、交流同期型の電動機で構成され、励磁電流が印加されるとトルクを発生するとともに、外部からトルクが加えられると、例えば前記内燃機関１０から動力分割機構１２を介して運動エネルギーが入力されると、その運動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって電力を発生させる。発生した電力はインバータを介してバッテリへ蓄積される。また、モータ１１ｂは、車両の減速時に発電機として作用し、駆動輪１８からドライブシャフト１７及び減速機１６を介して動力伝達軸１５に伝達される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する、いわゆる回生発電を行う。
【００５２】
上記のような構成のハイブリッドシステムには、内燃機関１０を制御するための電子制御ユニットであるエンジンＥＣＵと、モータ１１ａおよびモータ１１ｂに対して電力を供給するインバータを制御するための電子制御ユニットであるモータＥＣＵと、バッテリを制御するための電子制御ユニットであるバッテリと、エンジンＥＣＵ、モータＥＣＵおよびバッテリＥＣＵを含めたハイブリッドシステム全体を総合的に制御するための電子制御ユニットであるハイブリッドＥＣＵ等の様々な制御装置が設けられており、当該制御装置が図１に示す制御装置７の一部を形成する。
【００５３】
ここで、例えばエンジンＥＣＵとモータＥＣＵは、ハイブリッドＥＣＵから要求されるトルクを内燃機関１０とモータ１１ａ、１１ｂが発揮すべく、燃料噴射量やインバータを制御する。また、バッテリＥＣＵは、バッテリでの蓄電量の監視等を行う。そこで、バッテリＥＣＵからの信号に基づいて、バッテリの蓄電量が低下しているとハイブリッドＥＣＵが判断すると、内燃機関１０の機関出力による発電をモータ１１ａに伝達させることで発電を行い、モータ１１ａで発電された電気がインバータを介してバッテリへ蓄電される。
【００５４】
このように構成されるハイブリッドシステムにおいて、要求されるシステム出力の達成のために本来、内燃機関１０とモータ１１ａ、１１ｂが発揮すべき出力がそれぞれ割り当てられることになるが、図５に示す暖機時ＰＭ除去処理でのＳ２０７〜Ｓ２１０の処理が行われる際には、内燃機関１０の機関出力が本来発揮すべき出力から低下されるとともに、その低下分を補充すべくモータ１１ａ、１１ｂの出力が増加されることになる。このように、内燃機関１０の出力低下分を補充するモータは、本来的にシステム全体の出力を担う構成であってもよく、別法として、当該出力低下分を補うためだけに設けられた構成であってもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・・粒子状物質処理装置
２・・・・排気通路
３・・・・ハウジング
４・・・・絶縁部
５・・・・電極
６・・・・電源
７・・・・制御装置
８・・・・バッテリ
９・・・・検出装置
１０・・・・内燃機関
１１、１１ａ、１１ｂ・・・・モータ（モータジェネレータ）
１００・・・・粒子状物質処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、
前記内燃機関の暖機が完了していないとき、該内燃機関の出力を要求出力より低下させる出力低下手段と、
前記出力低下手段により前記内燃機関の出力低下が行われているとき、該低下された出力に相当する出力を補充する出力補充手段と、
を備える内燃機関システム。
【請求項２】
前記内燃機関を冷却する冷却水の温度に基づいて、該内燃機関の暖機が完了しているか否かを判断する暖機完了判断手段と、
前記排気通路を流れる排気中に含まれる粒子状物質の量を推定、又は検出する粒子状物質量推定手段と、を更に備え、
前記暖機完了判断手段によって前記冷却水の温度が所定温度より低いと判断され、且つ前記粒子状物質量推定手段により推定又は検出された粒子状物質量が所定量より大きい場合に、前記出力低下手段による前記内燃機関の出力低下と、前記出力補充手段による出力補充が行われる、
請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記内燃機関システムは、前記内燃機関と電源からの供給電力によって駆動されるモータとによって要求出力に応えるハイブリッドシステムであって、
前記出力低下手段によって前記内燃機関の出力低下が行われるとき、前記モータが前記出力補充手段として出力補充を行う、
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関システム。
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極を有し、印加電圧により該電極と該排気通路との間に電流を流すことで、排気中の粒子状物質を凝集させる粒子状物質処理装置と、
前記内燃機関の暖機が完了していないとき、該内燃機関の出力を要求出力より低下させる出力低下手段と、
前記出力低下手段により前記内燃機関の出力低下が行われているとき、該低下された出力に相当する出力を補充する出力補充手段と、
を備える内燃機関システム。
【請求項２】
前記内燃機関を冷却する冷却水の温度に基づいて、該内燃機関の暖機が完了しているか否かを判断する暖機完了判断手段と、
前記排気通路を流れる排気中に含まれる粒子状物質の量を推定、又は検出する粒子状物質量推定手段と、を更に備え、
前記暖機完了判断手段によって前記冷却水の温度が所定温度より低いと判断され、且つ前記粒子状物質量推定手段により推定又は検出された粒子状物質量が所定量より大きい場合に、前記出力低下手段による前記内燃機関の出力低下と、前記出力補充手段による出力補充が行われる、
請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記内燃機関システムは、前記内燃機関と電源からの供給電力によって駆動されるモータとによって要求出力に応えるハイブリッドシステムであって、
前記出力低下手段によって前記内燃機関の出力低下が行われるとき、前記モータが前記出力補充手段として出力補充を行う、
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２１９６７８（Ｐ２０１２−２１９６７８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８４８１０（Ｐ２０１１−８４８１０）
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]