JP2004346914A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマリアクターを適切に利用するための排気浄化装置を提供する。
【解決手段】プラズマリアクター１０、及びこのプラズマリアクター１０の排気下流側に配置されたスモークセンサー１４を有する排気浄化装置とする。この排気浄化装置では、排気下流側のスモークセンサー１４で検知されたスモーク量からプラズマリアクター１０での浄化能力を判断して、フィードバック制御を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関等からの排気の浄化装置に関するものであって、特にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（パティキュレート：以下「ＰＭ」という。）を含むスモークを除去するための排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、自動車、特に大型車に多く搭載されているが、その排気中の窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等とともに、ＰＭの排出を低減することが強く望まれてきている。そのため、エンジンの改良又は燃焼条件の最適化等により根本的にＰＭを低減する技術開発だけでなく、排気中のＰＭを効率的に除去する技術の確立が望まれている。
【０００３】
しかしながら単にディーゼルパティキュレートフィルター（以下「ＤＰＦ」という。）で排気中のＰＭを捕集する手法では、使用時間が経過するにつれ、捕集されたＰＭによりフィルターが目詰まりを起こし、通気抵抗が増加し、エンジンに負担をかける結果となる。
【０００４】
そこで従来から、ヒータ等によってＤＰＦを加熱して、堆積したＰＭを強制的に燃焼させることが行われてきた。
【０００５】
また近年ではより効率的な方法として、ＤＰＦによって捕集したＰＭの燃焼除去とガス状汚染物質を同時に浄化するのために、放電によるプラズマエネルギーを使用することが提案されている。例えば特許文献１では、一対の電極間に誘電体で作製された多孔質フィルター層と、緻密な誘電体で形成された誘電体層を介在して、両電極間に交流高圧電源を接続し、多孔質フィルターの表面とその内部の細孔の壁面に発生するラジカルやオゾンで、そこを通過するガス状及び粒子状物質を酸化及び還元することが提案されている。
【０００６】
また特許文献２では、排気中の有害物質であるＨＣ、ＣＯ、及びＮＯ_ｘの浄化に関して触媒装置とプラズマ発生装置とを組み合わせ、エンジン回転数、触媒温度等の運転状態に基づいて必要最小限の電力をプラズマ発生装置に供給することが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−３２９０１５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１２９９４９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマを利用するこれらの従来技術では、エンジンの始動時のようにＤＰＦの温度が低いときにも、捕集したＰＭを効率的に酸化除去することができる。しかしながらエンジン内の燃焼状態の変動によって多量のＰＭが発生する場合があり、この場合にはプラズマリアクターでＰＭを浄化しきれないことがある。
【０００９】
この場合のようにＰＭがプラズマリアクターの電極に堆積して固着すると、プラズマの形成が不安定になり、プラズマリアクターのＰＭの浄化能力が低下し、これが次のＰＭの堆積をもたらすという連鎖的な悪循環を起こすことがある。
【００１０】
また、この堆積した多量のＰＭを一度に燃焼除去すると多量の熱が発生する。この多量の熱はプラズマリアクターの寿命を短くし、また場合によってはプラズマリアクターを破損させる。
【００１１】
この問題は特許文献２でのように、エンジン回転数等の運転状態に基づいてＰＭの発生量を予測し、この予測値に基づいてプラズマリアクターに電力を供給することによって部分的に解決される。しかしながら、エンジン内の燃焼状態の変動は必ずしも予想可能なものではない。従って運転状態に基づく制御を加えたとしても、ＰＭ浄化のためにはまだ不充分な場合がある。そこで本発明では、このような問題を避ける排気浄化装置を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気浄化装置は、プラズマリアクター、及びこのプラズマリアクターの排気下流側に配置されたスモークセンサーを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の排気浄化装置では、排気下流側のスモークセンサーで検知されたスモーク量に基づいてプラズマリアクターの浄化能力を判断し、フィードバック制御を行ってもよい。
【００１４】
また本発明の排気浄化装置では、排気下流側のスモークセンサーで検知されたスモーク量に基づいてプラズマリアクターの浄化能力を判断し、プラズマリアクターの排気浄化性能の劣化又は不具合を検出してもよい。
【００１５】
本発明の排気浄化装置は、プラズマリアクターの排気上流側に配置されたスモークセンサーを更に有し、この排気上流側のスモークセンサーで検知されたスモーク量に応じて、プラズマリアクターに供給する電力を増減させることができる。
【００１６】
これによれば、エンジン回転数のようなパラメータと関連付けてＰＭ発生量を予想するのではなく、プラズマリアクターに流入するスモーク量に直接に基づいて電力供給を制御することができる。従って予想外に多量のＰＭが発生したときでも、プラズマリアクター内でのＰＭの固着及びプラズマ発生の不安定化といった問題を避けることができる。また、スモーク量に応じて適切な浄化性能を維持できるので、常に一定の電力を供給する場合と比較して、少ない電気エネルギーで排気浄化を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明を構成する排気浄化装置の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
図１は本発明の排気浄化装置の全体構成を表す模式的な構成図である。この図１に示す排気浄化装置では、エンジンからの排気は、矢印１８で示す方向で、排気上流側スモークセンサー１２、プラズマリアクター１０、そして排気下流側スモークセンサー１４に通過させて、大気中に放出する。
【００１９】
ここで使用されるスモークセンサー１２，１４は、排気中に含まれる微粒子の濃度を測定する任意のセンサーでよく、これは例えば光透過式黒煙測定装置（オパシメータ）のような光学式センサー、又はＨＣ若しくはＣＯなどの還元性ガスの濃度を検知するガス濃度感知式センサーでよい。尚、用語「スモーク」は、気体中に分散した固体又は液体の微粒子をいい、これは例えばＰＭとして知られるものである。
【００２０】
本発明で使用するプラズマリアクター１０は、電圧の印加によってプラズマを発生させ、このプラズマがＰＭの燃焼除去を促進するものであり、例えば特許文献１及び２で示されるようなものであって、フィルターを有さないものでよい。
【００２１】
また本発明で使用するプラズマリアクター１０は、図２で示すようなものでよい。ここで図２の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、プラズマリアクターの側面図及び断面図である。
【００２２】
この図２のプラズマリアクターにおいて、線状電極２４と外周電極２６との間の円筒状の絶縁体又は空間２２は、ＤＰＦのようなフィルターではなく、例えばストレートフロー型ハニカム構造体、又は排気が流通する空間である。これによって、プラズマリアクターの排気下流側に配置されたスモークセンサーにおいて、プラズマリアクターを通過したスモークの量を検知できる。またこの場合にはフィルターの目詰まりの問題がない。
【００２３】
線状電極２４及び外周電極２６は、この線状電極２４と外周電極２６との間の円筒状の絶縁体又は空間２２に電圧を印加できる任意の材料で製造できる。その材料としては、導電性材料や半導体材料を使用することができるが、金属材料が好ましい。この金属材料として、具体的にはＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ等が使用でき、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。この外周電極２６は、これらの材料を金属メッシュ又は金属箔を円筒状にして作ることができ、また導電性ペーストを絶縁体２２に適用して作ることができる。
【００２４】
プラズマリアクターに電力を供給する高電圧発生器２８は、パルス状又は定常の直流又は交流電圧を発生させるものでよい。線状電極２４と外周電極２６との間の印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用でき、例えばパルス電圧５０ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。直流電圧を線状電極２４と外周電極２６との間に印加する場合には、線状電極２４をカソードとすることも、またアノードとすることもできる。また、一方の電極を接地することもできる。
【００２５】
線状電極２４と外周電極２６との間で放電を起こさせるため、高電圧発生器２８によって、これらの電極間に電圧を印加する。直流電圧、交流電圧、周期的な波形の電圧等を両電極間に印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましい。直流パルス電圧を用いる場合に、印加電圧、パルス幅、パルス周期は、両電極間にコロナ放電を起こすことができる範囲で任意に選択できる。印加電圧の電圧等については、装置の設計や経済性等からの一定の制約を受ける可能性があるが、高電圧かつ短パルス周期の電圧であることがコロナ放電を良好に発生させる点から望ましい。
【００２６】
本発明で使用するプラズマリアクターは、図３で示すようなものであってもよい。ここで図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ側面図及び断面図である。この図３で示されるプラズマリアクターは、図２のプラズマリアクターにおいて線状電極２４と外周電極２６との間に電圧を印加する代わりに、円筒状の絶縁体又は空間３２の排気上流端及び下流端のメッシュ状電極３５，３７間に電圧を印可することを除いて、図２のプラズマリアクターと同様である。
【００２７】
図１に示す本発明の排気浄化装置での、プラズマリアクターへの投入電力の制御、プラズマリアクターによるスモーク浄化性能の劣化判別及び不具合検出、並びにスモークセンサーの故障判別の例を以下によって説明する。
【００２８】
（ａ）投入電力の制御
最適な浄化性能を維持するために、排気上流側スモークセンサー１２で検知される入口側スモーク濃度に応じてプラズマリアクター１０への投入電力を決定し、排気下流側スモークセンサー１４で検知される出口側スモーク濃度に基づいてフィードバック制御する。
【００２９】
この投入電力の制御は例えば図４のフローチャートで示すようにして行う。ここでは、エンジンの始動後に、「プラズマリアクターの浄化性能の劣化又は変化を補う出口側スモーク濃度に基づく調整電力Ｐ_ｏｕｔ」の初期値をステップ４０２で０とする。そして、ステップ４０４において、プラズマリアクターの排気上流側スモークセンサーで「プラズマリアクター入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎ」を測定する。ステップ４０６でこの入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎに基づいて、図６（ａ）で示すようなＳ_ｉｎ−Ｐ_ｉｎマップから「入口側スモーク濃度に基づく供給電力Ｐ_ｉｎ」を決定し、ステップ４０８でこの電力Ｐ_ｉｎに、出口側スモーク濃度に基づく調整電力Ｐ_ｏｕｔ（初期値は０）を加えて、プラズマリアクターに供給する電力Ｐを決定する。プラズマリアクターにはこの電力Ｐを供給する。
【００３０】
その後、ステップ４１０において、入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎに基づいて図６（ｂ）で示すようなＳ_ｉｎ−ＴＩＭＥＲマップから、又は入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎに基づかないで、遅延時間ＴＩＭを設定する。この遅延時間ＴＩＭは、プラズマリアクターで処理された排気がプラズマリアクターの排気下流側スモークセンサーで検知されるまでの遅延時間、及び／又はプラズマリアクターで処理すべきスモーク量を考慮するためのものである。
【００３１】
ステップ４１２及び４１４でＴＩＭをダウンカウントし、ＴＩＭ＝０となったら、ステップ４１６において、プラズマリアクターの排気下流側のスモークセンサーで「プラズマリアクター出口側スモーク濃度Ｓ_ｏｕｔ」を測定する。この出口側スモーク濃度Ｓ_ｏｕｔ及び入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎに基づいて、ステップ４１７において浄化率α＝（Ｓ_ｉｎ−Ｓ_ｏｕｔ）／Ｓ_ｉｎの式より、浄化率αを求める。
【００３２】
ステップ４１７で求めた浄化率αが、浄化率のしきい値α_ｔｈよりも大きいことがステップ４１８で判断されれば、ステップ４０４に戻って入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎの検出を行う。また浄化率αが、浄化率の下限しきい値α_ｔｈ以下であることがステップ４１８で判断されれば、プラズマリアクターの浄化性能劣化を補う調整電力Ｐ_ｏｕｔに調整電力変化分ΔＰ_ｏｕｔを加えてから、ステップ４０４に戻って入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎの検出を行う。
【００３３】
このようにして浄化率αが浄化率のしきい値α_ｔｈ以下であるときに、ステップ４２０でプラズマリアクターの浄化性能の劣化又は変化を補う調整電力Ｐ_ｏｕｔに調整電力変化分ΔＰ_ｏｕｔを加えると、初期のプラズマリアクターの浄化性能に基づいて作製されるＳ_ｉｎ−Ｐ_ｉｎマップ（プラズマリアクター入口側スモーク濃度−投入電力マップ）からのずれを補うことができる。すなわちプラズマリアクターの浄化性能が劣化してきたときにも、出口側スモーク濃度Ｓ_ｏｕｔに基づくフィードバック制御によって適切な浄化率αを維持することができる。
【００３４】
図４に示すフローチャートでは、プラズマリアクターの浄化性能劣化に対応するために、必要に応じてプラズマリアクターの浄化性能劣化を補う調整電力Ｐ_ｏｕｔを増加させる制御を行った。しかしながら、この図４のフローチャートのステップ４１７〜４２０を、図５のフローチャートのステップ５１７〜５２４に置き換えて制御することもできる。
【００３５】
すなわち、ステップ５１７で求めた浄化率αが、浄化率の下限しきい値α_ｔｈ１以下であることがステップ５１８で判断されたときには、ステップ５２０でプラズマリアクターの浄化性能の劣化又は変化を補う調整電力Ｐ_ｏｕｔに調整電力変化分ΔＰ_ｏｕｔを加えて、プラズマリアクターの浄化性能の劣化によるＳ_ｉｎ−Ｐ_ｉｎマップからのずれを補う。またステップ５１７で求めた浄化率αが、浄化率の下限しきい値α_ｔｈ１よりも大きいことがステップ５１８で判断されたら、ステップ５２２において浄化率αが、浄化率の上限しきい値α_ｔｈ２よりも大きいか否かを判断する。このステップ５２２で浄化率αが浄化率の上限しきい値α_ｔｈ２以上であることが判断されたら、必要な程度よりも過剰に浄化されている、すなわち過剰な電力が供給されていると判断して、プラズマリアクターの浄化性能劣化又は変化を補う調整電力Ｐ_ｏｕｔから投入電力変化分ΔＰ_ｏｕｔを減じるようにする。これによって、過剰な電力を供給することを防いで、効率的なプラズマリアクター制御を行うことができる。
【００３６】
（ｂ）プラズマリアクターによるスモーク浄化性能の劣化判別及び不具合検出プラズマリアクター１０の排気上流側のスモークセンサー１２でプラズマリアクター入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎを測定し、プラズマリアクター１０の排気下流側のスモークセンサー１４でプラズマリアクター出口側スモーク濃度をＳ_ｏｕｔを測定する。これらのＳ_ｉｎ及びＳ_ｏｕｔに関して、下記の式が成立するか否かを判断する：
Ｓ_ｔｈ＞Ｓ_ｉｎ−Ｓ_ｏｕｔ
ここでＳ_ｔｈは劣化判別のしきい値であり、この式が成立している場合には、プラズマリアクターのスモーク浄化性能がまだ充分に機能していると判断し、この式が成立しなくなった場合にはプラズマリアクターのスモーク浄化性能が劣化している又はプラズマリアクターに不具合が生じていると判断する。すなわち、図７で示すＳ_ｉｎとＳ_ｏｕｔの関係が、「浄化の正常な領域」にあるときは、プラズマリアクターのスモーク浄化性能がまだ充分に機能していると判断し、「浄化の劣化した領域」にあるときは、プラズマリアクターのスモーク浄化性能が劣化している又は不具合が生じていると判断する。プラズマリアクターの浄化性能劣化又は不具合が検知されたときには、必要に応じて供給電力を増加させ又は電力供給を停止することができる。またプラズマリアクターの浄化性能劣化又は不具合を、使用者に通知することができる。
【００３７】
（ｃ）センサー異常の検出
排気上流側及び排気下流側のスモークセンサーのセンサー異常は下記のようにして判断することができる。
【００３８】
下記の式（ｉ）が成立しないときには排気上流側スモークセンサー１２に異常があると判断し、下記の式（ｉｉ）が成立しないときには排気下流側スモークセンサー１４に異常があると判断する：
Ｓ_{ｉｎ（ｍｉｎ）}＜Ｓ_ｉｎ＜Ｓ_{ｉｎ（ｍａｘ）} （ｉ）
Ｓ_{ｏｕｔ（ｍｉｎ）}＜Ｓ_ｏｕｔ＜Ｓ_{ｏｕｔ（ｍａｘ）} （ｉｉ）
ここで、Ｓ_ｉｎは排気上流側スモークセンサーで測定されるプラズマリアクター入口側スモーク濃度、Ｓ_{ｉｎ（ｍｉｎ）}及びＳ_{ｉｎ（ｍａｘ）}はそれぞれ、予め設定された想定される入口側スモーク濃度の最大値及び最小値、Ｓ_ｏｕｔは排気下流側スモークセンサーで測定される出口側スモーク濃度、Ｓ_{ｏｕｔ（ｍｉｎ）}及びＳ_{ｏｕｔ（ｍａｘ）}はそれぞれ、予め設定された想定される出口側スモーク濃度の最大値及び最小値である。
【００３９】
Ｓ_ｏｕｔ≧Ｓ_ｉｎが成立するが、下記の式（ｉｉｉ）が成立しないときには、排気上流側スモークセンサーが異常であると判断する：
Ｓ_ｉｎ（Ｎｅ）−δ_ｉｎ≦Ｓ_ｉｎ≦Ｓ_ｉｎ（Ｎｅ）＋δ_ｉｎ （ｉｉｉ）
ここでＳ_ｉｎは排気上流側スモークセンサーで検知されたプラズマリアクター入口側スモーク濃度であり、Ｓ_ｉｎ（Ｎｅ）はエンジン回転数Ｎｅから予想されるプラズマリアクター入口側スモーク量であり、δは入口側スモーク量の想定される誤差の範囲である。
【００４０】
またＳ_ｏｕｔ≧Ｓ_ｉｎが成立し、上記式（ｉｉｉ）も成立する場合には、プラズマリアクターへの給電を一時的に停止し、下記の式（ｉｖ）が成立するか否かを判断する。ここで、この式（ｉｖ）が成立しなければ排気下流側スモークセンサーが異常であると判断する：
Ｓ_ｏｕｔ＝Ｓ_ｉｎ−δ_ｃ （ｉｖ）
ここでＳ_ｉｎは排気上流側スモークセンサーで検知されたプラズマリアクター入口側スモーク濃度、Ｓ_ｏｕｔは排気下流側スモークセンサーで検知されたプラズマリアクター出口側スモーク濃度、δ_ｃは電圧の印加がないときにプラズマリアクターで浄化されるスモークに対応するスモーク濃度である。
【００４１】
このようにして排気上流側又はスモークセンサーのセンサー異常が検知されたときには、使用者又は運転者に通知すると共に、入力スモーク量が最大であるとみなしてリアクターに電力を供給することができる。
【００４２】
尚、上記（ａ）〜（ｃ）では、プラズマリアクター入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎは、プラズマリアクターの排気上流側のスモークセンサーによって測定するとしているが、排気上流側のスモークセンサーを用いないでエンジン回転数等の運転状態に基づいて入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎを決定することもできる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマリアクターを適切に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施態様を表す模式図である。
【図２】実施例で使用できるプラズマリアクターの１つの態様を示す側面図及び断面図である。
【図３】実施例で使用できるプラズマリアクターの他の態様を示す側面図及び断面図である。
【図４】本発明によるプラズマリアクターを利用した電力供給制御の例を示すフローチャートである。
【図５】本発明によるプラズマリアクターを利用した電力供給制御の他の例を示すフローチャートである。
【図６】本発明によるプラズマリアクターを利用した電力供給制御で使用する入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎ−投入電力Ｐ_ｉｎマップ、及び入口側スモーク濃度Ｓ_ｉｎ−遅延時間ＴＩＭＥＲマップの例である。
【図７】本発明で使用するプラズマリアクターの劣化判別をするためのマップの例である。
【図８】本発明によるプラズマリアクターを利用した電力供給制御で使用するエンジン回転数Ｓ_ｉｎ（Ｎｅ）−スモーク濃度Ｓ_ｉｎマップの例である。
【符号の説明】
１０…プラズマリアクター
１２，１４…スモークセンサー
１８…排気流れ方向
２２，３２…絶縁体又は空間
２４…線状電極
２６…外周電極
２８，３８…電源
３５，３７…メッシュ状電極

Claims (3)

1. プラズマリアクター、及び
   前記プラズマリアクターの排気下流側に配置されたスモークセンサー、
   を有することを特徴とする、排気浄化装置。
2. 前記排気下流側のスモークセンサーで検知されたスモーク量に基づいてプラズマリアクターの浄化能力を判断し、フィードバック制御を行う、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記プラズマリアクターの排気上流側に配置されたスモークセンサーを更に有し、この排気上流側のスモークセンサーで検知されたスモーク量に応じて、前記プラズマリアクターに供給する電力を増減させる、請求項１に記載の排気浄化装置又は２に記載の排気浄化装置。

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