JP2004340037A

JP2004340037A - 排ガス浄化装置の異常判定方法および排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2004340037A
Application number: JP2003137922A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】排ガス浄化装置の異常放電を正確かつ確実に検知可能にすることを目的とする。
【解決手段】排ガス浄化装置１は、受電極としての浄化容器１０と放電電極１１とに高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化するものである。排ガス浄化装置１では、エンジンＥＣＵ２０によって、電源ユニット１５により浄化容器１０と放電電極１１とに印加される電圧の積算値Ｖｓが基準電圧積算値Ｖｓｒを下回っている場合、または、浄化容器１０と放電電極１１との間における放電電流の積算値Ｉｓが基準電流積算値Ｉｓｒを上回っている場合に、異常放電が発生していると判定され（Ｓ１４）、電源ユニット１５が停止させられる（Ｓ１６）。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の電極に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置の異常判定方法および排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、相対する一対の電極に交流電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置（プラズマリアクタ）が知られている。この種の排ガス浄化装置では、電極に効率よく高電圧を印加して、排ガスの良好な浄化処理に寄与する放電（コロナ放電、無声放電）を発生させる必要がある。その一方で、電極への給電系統に含まれる絶縁部が劣化すると、排ガスの浄化処理に支障をきたす異常放電が発生してしまう。また、排ガス中に水分が含まれていると、排ガスの良好な浄化処理に寄与し得ないアーク放電が発生してしまう。
【０００３】
このため、従来から、電極に印加される電圧または電流の波形変化に基づいて排ガス浄化装置（プラズマリアクタ）の異常を判定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法のもとでは、電極に印加される電圧または電流の波形がハイパスフィルタにより濾波され、スパイク状の異常波形が検知された際に、排ガス浄化装置において異常放電等が発生していると判定される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１４７４９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の異常判定方法を採用した場合、ハイパスフィルタのカットオフ周波数の設定次第では、排ガス浄化装置の異常を示す波形がカットされてしまうことも起こり得るので、異常放電の検知範囲が限定されてしまうおそれがあった。また、ハイパスフィルタの出力に、電源ユニット（高圧電源装置）と各電極とを結ぶ高圧ケーブルから発せられる高周波ノイズ（輻射ノイズ）や、グランドからの高周波ノイズが混在してしまうことがあり、これらのノイズと排ガス浄化装置の異常を示す波形とを識別することが困難となることもある。従って、従来の異常判定方法を採用したとしても、排ガス浄化処理に支障をきたす異常放電を正確かつ確実に検知することは困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、異常放電を正確かつ確実に検知可能にする排ガス浄化装置の異常判定方法および排ガス浄化装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による排ガス浄化装置の異常判定方法は、一対の電極に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置の異常判定方法において、一対の電極に印加される電圧が低下した場合、または、一対の電極間における放電電流が増加した場合に、異常放電が発生していると判定することを特徴とする。
【０００８】
本発明者は、プラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置における異常放電を正確かつ確実に検知することを目的として鋭意研究を行なった。この研究過程において、本発明者は、例えば電極への給電系統の絶縁劣化等に起因して異常放電（リーク）が発生した場合、電極に印加される電圧が低下する現象と、例えば排ガス中の水分量が多いために電極間でアーク放電が発生してしまうような場合、電極間における放電電流が増加する現象とに着目した。
【０００９】
そして、本発明による異常判定方法では、これらの現象を考慮して、一対の電極に印加される電圧が低下した場合、または、一対の電極間における放電電流が増加した場合に、異常放電が発生していると判定される。従って、この方法を採用すれば、ハイパスフィルタを用いた場合のような検知範囲の限定や、高周波ノイズ等の影響なしで、排ガス浄化処理に支障をきたす異常放電を正確かつ確実に検知することが可能となる。この結果、本発明によれば、排ガス浄化性能の低下を事前に把握すると共に、異常放電に起因する各種トラブルを抑制することができる。
【００１０】
この場合、一対の電極に印加される電圧が低下しているか否かの判定、または、一対の電極間における放電電流が増加しているか否かの判定は、次のようにして行うことができる。
【００１１】
すなわち、一対の電極に印加される電圧の値を積算し、電圧の積算値が所定の閾値を下回った際に、異常放電が発生していると判定してもよい。
【００１２】
また、一対の電極間における放電電流の値を積算し、電流の積算値が所定の閾値を上回った際に、異常放電が発生していると判定してもよい。
【００１３】
更に、一対の電極に印加される電圧の値が所定の閾値を下回った際に、異常放電が発生していると判定してもよい。
【００１４】
また、一対の電極間における放電電流の値が所定の閾値を上回った際に、異常放電が発生していると判定してもよい。
【００１５】
本発明による排ガス浄化装置は、一対の電極に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、一対の電極に印加される電圧の値を取得する電圧取得手段と、一対の電極間における放電電流の値を取得する電流取得手段と、電圧取得手段の取得値に基づいて、一対の電極に印加される電圧が低下している否かを判定するか、あるいは、電流取得手段の取得値に基づいて、一対の電極間における放電電流が増加しているか否かを判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による排ガス浄化装置の異常判定方法および排ガス浄化装置について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明による排ガス浄化装置を示す断面図である。同図に示される排ガス浄化装置１は、車両に適用されると好適なものであり、図示されない内燃機関の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、当該内燃機関の排気系統に組み込まれる。図１に示されるように、排ガス浄化装置１は、金属等の耐熱導電性材料により概ね筒状に形成されると共に長手方向中央部が拡径されている浄化容器１０を有する。
【００１８】
浄化容器１０の上流端は、内燃機関の排気系統を構成する排気管Ｌ１に接続され、浄化容器１０の下流端は、内燃機関の排気系統を構成する排気管Ｌ２に接続される。そして、浄化容器１０の内部には、図１において白抜矢印で示されるように、排気管Ｌ１を介して内燃機関の燃焼室から排出される排ガスが導入され、浄化容器１０の内部で浄化された排ガスは、排気管Ｌ２を介して外部に排出されることになる。
【００１９】
図１に示されるように、浄化容器１０の上流側に位置する排気管Ｌ１には、上流側ＮＯｘセンサ２ａが設けられている。上流側ＮＯｘセンサ２ａは、浄化容器１０に流れ込む排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。また、浄化容器１０の下流側に位置する排気管Ｌ２には、下流側ＮＯｘセンサ２ｂが設けられている。下流側ＮＯｘセンサ２ｂは、浄化容器１０から流出する排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。更に、排気管Ｌ２には、浄化容器１０の出口付近に位置するように排気温度センサ３が設けられている。排気温度センサ３は、浄化容器１０から流出する排ガスの温度を検出する。
【００２０】
浄化容器１０の内部には、その長手方向軸心上に位置するように、細径棒状の放電電極１１が配置されている。本実施形態では、浄化容器１０と放電電極１１とには、浄化容器１０自体を陽極とすると共に放電電極１１を陰極として、電源ユニット１５から高電圧が印加される。これにより、放電電極１１と、受電極としての浄化容器１０との間にプラズマを発生させることが可能となり、発生したプラズマのエネルギを利用して、内燃機関からの排ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘといった成分やパーティキュレート物質等を、排ガス中の酸素と反応させて浄化したり、着火させて焼却したりすることが可能となる。
【００２１】
受電極としての浄化容器１０および放電電極１１に対して高電圧を印加するための電源ユニット１５は、直流電源（本実施形態では、車両の補機バッテリ）１１、図示されないインバータ回路、トランスおよび整流用のダイオード等を含むものである。この電源ユニット１５は、図１に示されるように、排ガス浄化装置１の適用対象である内燃機関を制御するエンジンＥＣＵ２０に接続されている。
【００２２】
エンジンＥＣＵ２０は、図示されないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。エンジンＥＣＵ２０の入出力ポートには、上述の上流側および下流側ＮＯｘセンサ２ａおよび２ｂや排気温度センサ３、更には、図示されないアクセル開度センサや回転数センサ等が接続されている。そして、エンジンＥＣＵ２０は、所定の制御プラグラム等に従うと共に、ＮＯｘセンサ２ａおよび２ｂの検出値や、排気温度センサ３の検出値、更には、回転数センサ等からの内燃機関の状態を示す信号に基づいて、電源ユニット１５のインバータ回路を駆動するための駆動パルス信号（ゲート信号）Ｓｇや、電源ユニット１５から浄化容器１０および放電電極１１に印加する電圧の値を指示するための電圧指示信号Ｓｖを内燃機関の運転状態に応じて生成する。
【００２３】
電源ユニット１５に対して、エンジンＥＣＵ２０から駆動パルス信号（ゲート信号）Ｓｇや電圧指示信号Ｓｖが与えられると、電源ユニット１５では、直流電源１６からの直流電圧がインバータ回路によって交流電圧に変換される。そして、インバータ回路からトランスに加えられた交流電圧は、トランスによって昇圧させられると共にダイオードにより整流され、それにより、受電極としての浄化容器１０と放電電極１１とに直流パルス電圧が印加されることになる。なお、電源ユニット１５は、交流高圧電源または直流高圧電源として構成されてもよい。
【００２４】
また、図１に示されるように、電源ユニット１５には、浄化容器１０と放電電極１１とに印加される電圧の値を検出する電圧計１７と、放電電極１１と受電極としての浄化容器１０との間で放電される電流の値を検出する電流計１８とが備えられている。電圧計１７および電流計１８は、上述のエンジンＥＣＵ２０に接続されており、電圧計１７は検出した電圧値を示す信号を、電流計１８は、検出した電流値を示す信号を、それぞれエンジンＥＣＵ２０に送出する。そして、本実施形態では、エンジンＥＣＵ２０（ＣＰＵ）が、電圧計１７および電流計１８からの信号に基づいて排ガス浄化装置１の異常判定処理を実行する。
【００２５】
次に、図２および図３を参照しながら、上述の排ガス浄化装置１の異常を判定する方法について説明する。
【００２６】
図２に示されるように、時刻ｔ_０において、車両を始動させるべくユーザによってイグニッションスイッチがオンされると、エンジンＥＣＵ２０は、電源ＯＮ信号Ｓｓを電源ユニット１５に与えて（図２における時刻ｔ_１）、電源ユニット１５の作動を開始させる。また、エンジンＥＣＵ２０は、電源ユニット１５を始動させると、駆動パルス信号Ｓｇと、電圧指示信号Ｓｖを内燃機関の運転状態に応じて生成し、電源ユニット１５に与える（図２における時刻ｔ_２）。これにより、浄化容器１０と放電電極１１とに、図２に示されるような直流パルス電圧が印加され、放電電極１１と受電極としての浄化容器１０との間にプラズマが発生させられる。
【００２７】
この際、浄化容器１０と放電電極１１に印加される電圧の値は、電圧計１７によって検出され、放電電極１１と受電極としての浄化容器１０との間で放電される電流の値は、電流計１８によって検出される。そして、エンジンＥＣＵ２０には、電圧計１７から電圧値を示す信号が、電流計１８から電流値を示す信号が与えられる。
【００２８】
また、エンジンＥＣＵ２０は、時刻ｔ_０においてイグニッションスイッチがオンされると、図３に示されるように、その時点から排気温度センサ３により検出される排気温度Ｔをモニタし、排気温度Ｔと予め定められている基準温度Ｔｒとを比較する（Ｓ１０）。そして、エンジンＥＣＵ２０は、排気温度センサ３により検出される排気温度Ｔが基準温度Ｔｒを上回った段階（図２における時刻ｔ_３）で、電圧計１７および電流計１８から送られてくる信号に基づいて、浄化容器１０と放電電極１１とに印加される電圧の値の積算と、浄化容器１０と放電電極１１との間で放電される電流の値の積算とを開始する（Ｓ１２）。
【００２９】
本実施形態において、エンジンＥＣＵ２０は、図２からわかるように、時刻ｔ_３以降、電圧計１７および電流計１８から信号をＮ回受け取るまでの間（図３における時刻ｔ_３から時刻ｔ_４まで）、電圧の値および電流の値を積算し、電圧の積算値Ｖｓと電流の積算値Ｉｓとを求める。そして、Ｓ１２にて電圧の積算値Ｖｓおよび電流の積算値Ｉｓを求めると、エンジンＥＣＵ２０は、電圧の積算値Ｖｓを所定の基準電圧積算値（閾値）Ｖｓｒと比較すると共に、電流の積算値Ｉｓを所定の基準電流積算値（閾値）Ｉｓｒと比較する（Ｓ１４）。
【００３０】
ここで、上述のような排ガス浄化装置１において、例えば浄化容器（受電極）１０および放電電極１１への給電系統の絶縁劣化等に起因して異常放電（リーク）が発生した場合、電圧計１７によって検出される浄化容器（受電極）１０および放電電極１１に対する印加電圧が低下する。また、内燃機関からの排ガス中の水分量が多いために放電電極１１と浄化容器（受電極）１０との間でアーク放電が発生してしまったような場合、電流計１８によって検出される放電電極１１と浄化容器（受電極）１０との間における放電電流が増加する。
【００３１】
このため、エンジンＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて求めた電圧の積算値Ｖｓが上記基準電圧積算値Ｖｓｒを下回った際に、異常放電により浄化容器１０および放電電極１１に対する印加電圧が低下したと判断し（Ｓ１４）、電源ＯＦＦ信号Ｓｑを出力して電源ユニット１５を停止させる（Ｓ１６、図３における時刻Ｔ_４参照）。また、エンジンＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて求めた電流の積算値Ｉｓが上記基準電流積算値Ｉｓｒを上回った際に、異常放電により放電電極１１と浄化容器（受電極）１０との間における放電電流が増加したと判断し（Ｓ１４）、電源ＯＦＦ信号Ｓｑを出力して電源ユニット１５を停止させる（Ｓ１６、図３における時刻Ｔ_４参照）。
【００３２】
このように、本実施形態の排ガス浄化装置１では、エンジンＥＣＵ２０によって、浄化容器１０と放電電極１１とに印加される電圧が低下した場合、または、浄化容器１０と放電電極１１との間における放電電流が増加した場合に、異常放電が発生していると判定される。これにより、ハイパスフィルタを用いた場合のような検知範囲の限定なしで、かつ、高圧ケーブル等から発せられる高周波ノイズ等の影響なしで、排ガス浄化処理に支障をきたす異常放電を正確かつ確実に検知することが可能となる。この結果、本発明によれば、排ガス浄化性能の低下を事前に把握すると共に、異常放電に起因する各種トラブルを抑制することが可能となる。
【００３３】
また、内燃機関の始動直後等、排ガス中に水分が多く含まれている場合、排ガス中の水分の存在により、浄化容器（受電極）１０および放電電極１１への給電系統の絶縁劣化が一時的に発生することがある。このような現象を考慮して、図２および図３に示されるように、排ガス浄化装置１では、Ｓ１０にて、排気温度センサ３により検出される排気温度Ｔが基準温度Ｔｒを上回るまで（図２における時刻ｔ_０から時刻ｔ_３まで）、すなわち、排気温度Ｔが十分に上昇して排ガス中の水分が気化するまで、浄化容器１０と放電電極１１とに印加される電圧および放電電流の積算処理（Ｓ１２）と、電圧値および電流値に基づく異常判定（Ｓ１４）が実行されない。
【００３４】
このように、排ガス浄化装置１では、排気温度Ｔに基づいた異常判定マスク処理（Ｓ１０）が実行されることから、内燃機関の始動直後等に発生しがちな給電系統の一時的な絶縁劣化に起因する異常放電と、給電系統の恒久的な絶縁劣化に起因する異常放電とを確実に識別することができるので、異常判定の精度を向上させることが可能となる。
【００３５】
なお、エンジンＥＣＵ２０は、Ｓ１４にて、電圧の積算値Ｖｓが基準電圧積算値Ｖｓｒを下回っておらず、かつ、電流の積算値Ｉｓが基準電流積算値Ｉｓｒを上回っていないと判断した場合、異常発生以外の理由により浄化容器１０内での排ガス浄化処理を停止させる必要があるか否かを判定する（Ｓ１８）。そして、エンジンＥＣＵ２０は、Ｓ１８にて排ガス浄化処理を停止させる必要がないと判断した場合、上述の異常判定処理を再度実行する。また、エンジンＥＣＵ２０は、Ｓ１８にて排ガス浄化処理を停止させるべきであると判断した場合、電源ＯＦＦ信号Ｓｑを出力して電源ユニット１５を停止させる（Ｓ１６）。
【００３６】
図４は、本発明の他の実施形態に係る排ガス浄化装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【００３７】
同図に示されるように、浄化容器（受電極）１０と放電電極１１とに印加される電圧が低下しているか否かの判定は、エンジンＥＣＵ２０が電圧計１７から信号を受け取るたびに行なわれてもよい。同様に、浄化容器１０と放電電極１１との間における放電電流が増加しているか否かの判定は、ＥＣＵ２０が電流計１８から信号を受け取るたびに行なわれてもよい。
【００３８】
すなわち、図４に示される例では、浄化容器１０と放電電極１１とに印加される電圧の値が所定の基準電圧値Ｖｒを下回った際に、エンジンＥＣＵ２０により、異常放電が発生していると判定される。また、この場合、放電電極１１と受電極としての浄化容器１０との間における放電電流の値が所定の基準電流値Ｉｒを上回った際に、異常放電が発生していると判定される。このような手法を採用しても、排ガス浄化処理に支障をきたす異常放電を正確かつ確実に検知することが可能となり、排ガス浄化性能の低下を事前に把握すると共に、異常放電に起因する各種トラブルを抑制することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、プラズマを利用して排ガスを浄化する排ガス浄化装置の異常放電を正確かつ確実に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排ガス浄化装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明による排ガス浄化装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明による排ガス浄化装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態に係る排ガス浄化装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１排ガス浄化装置
２ａ上流側ＮＯｘセンサ
２ｂ下流側ＮＯｘセンサ
３排気温度センサ
１０浄化容器
１１放電電極
１５電源ユニット
１６直流電源
１７電圧計
１８電流計
２０エンジンＥＣＵ
Ｌ１，Ｌ２排気管

Claims

一対の電極に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置の異常判定方法において、
前記一対の電極に印加される電圧が低下した場合、または、前記一対の電極間における放電電流が増加した場合に、異常放電が発生していると判定することを特徴とする排ガス浄化装置の異常判定方法。
前記一対の電極に印加される電圧の値を積算し、電圧の積算値が所定の閾値を下回った際に、異常放電が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置の異常判定方法。
前記一対の電極間における放電電流の値を積算し、電流の積算値が所定の閾値を上回った際に、異常放電が発生していると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化装置の異常判定方法。
前記一対の電極に印加される電圧の値が所定の閾値を下回った際に、異常放電が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置の異常判定方法。
前記一対の電極間における放電電流の値が所定の閾値を上回った際に、異常放電が発生していると判定することを特徴とする請求項１または４に記載の排ガス浄化装置の異常判定方法。
一対の電極に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
前記一対の電極に印加される電圧の値を取得する電圧取得手段と、
前記一対の電極間における放電電流の値を取得する電流取得手段と、
前記電圧取得手段の取得値に基づいて、前記一対の電極に印加される電圧が低下している否かを判定するか、あるいは、前記電流取得手段の取得値に基づいて、前記一対の電極間における放電電流が増加しているか否かを判定する判定手段とを備えることを特徴とする排ガス浄化装置。