JP2005069152A

JP2005069152A - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2005069152A
Application number: JP2003302008A
Authority: JP
Inventors: Kimihisa Tsuji; 公壽辻
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】ハニカム構造体におけるＰＭの付着位置の偏りを抑制する。
【解決手段】エンジンの回転数が大であるほど電界制御用の対向電極５０ａ，５０ｂに対する印加電圧の周波数を高く制御する。対向電極５０ａ，５０ｂの作用によってＰＭの移動経路が制御され、印加電圧の周期的な可変によって、ハニカム構造体２０におけるＰＭの付着を一様にすることが可能となる。エンジン回転数に応じて印加電圧の周波数を変更するので、排ガスの流量や有害物質濃度が高い場合にも、これに応じて周波数を上げることにより、付着を更に均質化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系に用いられ、排ガス中に含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置に関する。

内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、従来から、相対する複数の電極間に交流電圧を印加してプラズマを発生させ、この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）が提案されている。例えば特許文献１の装置は、排ガスの流路中に多数の絶縁基板を互いに平行に配置したものである。この装置では、排ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘなどの有害物質は、両電極間への高電圧の印加により発生されたプラズマのエネルギによりラジカル（フリーラジカル、遊離基）状態にされ、排ガス中の酸素と結合して無害化される。また、この装置ではさらに、内燃機関の運転状態に応じて印加電圧と周波数とを高めており、これによって排ガス中の有害物質の発生量に応じた処理を可能としている。
特開２００１−２９５６２９号公報

ところで、このような構成では、放電側電極によって帯電されたＰＭ（Particulate Matter、粒子状物質）が逆極性の電極に付着することになるが、吸着側の電極におけるＰＭの付着位置に偏りが生じる可能性がある。ＰＭの付着位置の偏りが生じると、狭い面積にＰＭが高密度に集中するため、燃え残りが生じがちで処理性能が低下する上、燃焼処理後に残留したアッシュは、排ガス流路の断面積（開口面積）の減少による圧力損失の増大や詰まりなど、装置の性能低下の要因となってしまう。この問題点は、いわゆるハニカム構造体とその軸線上に配置された中心電極とを用いたプラズマリアクタにおいても、同様に存在する。

そこで本発明の目的は、ＰＭの付着位置の偏りを抑制できるような手段を提供することにある。

第１の本発明は、エンジンからの排ガス流路中に配置されたハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上流側からハニカム構造体の軸線上に延びる中心電極と、前記ハニカム構造体に固定され前記中心電極とは逆極性の電圧を印加される吸着側電極と、前記中心電極と前記ハニカム構造体との間に配置された電界制御用対向電極と、前記電界制御用対向電極に対する印加電圧を周期的に可変する制御手段と、を備えた排ガス浄化装置であって、前記制御手段は、前記エンジンの運転状態に応じて前記電界制御用対向電極に対する印加電圧の周波数を変更することを特徴とする排ガス浄化装置である。

第１の本発明では、中心電極と吸着側電極とに逆極性の電圧を印加すると、供給される排ガス中のＰＭは中心電極からの放電により帯電され、また、ハニカム構造体は吸着側電極により、中心電極とは逆極性に帯電される。これによりＰＭがハニカム構造体の多数のセルに吸着される。また、電界制御用対向電極の作用によってＰＭの移動経路が制御され、印加電圧の周期的な可変によって、ハニカム構造体におけるＰＭの付着を一様にすることが可能となる。そして、エンジンの運転状態に応じて電界制御用対向電極に対する印加電圧の周波数を変更するので、被処理物質の供給量に応じてＰＭの付着を適切に制御することができる。

第２の本発明は、前記運転状態は前記エンジンの回転数であり、前記制御手段は、前記回転数が大であるほど、前記周波数を高く制御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である。

一般にエンジンの回転数が高いほど排ガス流量は大となるため、第２の本発明のようにエンジンの回転数が大であるほど電界制御用対向電極に対する印加電圧の周波数を高く制御することにより、簡易な処理で第１の本発明による効果を得ることができる。

本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。本実施形態の排ガス浄化装置はプラズマリアクタとして構成され、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経路中に組み込まれる。

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円筒形に形成された浄化容器１０を有する。浄化容器１０の上流端は、不図示の排気管を介して内燃機関の排気マニホールドに接続され、浄化容器１０の下流端は、不図示の排気管を介して触媒装置および消音器に接続され外部に連通している。浄化容器１０の内部には、図中白抜矢印で示されるように、内燃機関の燃焼室から排出される排ガスが排気管を介して導入され、浄化容器１０の内部で浄化された排ガスは、排気管を介して外部に排出されることになる。

浄化容器１０の内部には、略円柱形のハニカム構造体２０が配置されている。図２に示されるように、このハニカム構造体２０は、炭化珪素の多孔質焼結体からなる周知のハニカムフィルタであり、断面略正方形状の多数のセル２０ａがその軸線方向に沿って規則的に形成され、各セル２０ａは薄いセル壁によって互いに仕切られている。各セル２０ａはその前端部と後端部とで開放し、これにより浄化容器１０内の上流側と下流側とを連通させている。セル壁の外表面には、白金族元素（例えばＰｔ等）やバナジウム、銅、マンガン、アルミナなどの金属元素及び金属酸化物等からなる酸化触媒が担持されている。

ハニカム構造体２０の下流側端面には、概ね円盤形の下流側メッシュ電極３０ｂがハニカム構造体２０と一体的に形成されている。またハニカム構造体２０の上流側端面には、概ね円盤形の上流側メッシュ電極３０ａが空隙を介して配置されている。また、ハニカム構造体２０および上流側メッシュ電極３０ａの上流側には、ハニカム構造体２０の長手方向軸心上に位置するように、細径棒状の中心電極４０が配置されている。

中心電極４０の下流側であって上流側メッシュ電極３０ａの上流側には、一対の対向電極５０ａ，５０ｂが配置されている。この対向電極５０ａ，５０ｂは、中心電極とメッシュ電極３０ｂとの間に形成される電界を制御することによって、ハニカム構造体２０におけるＰＭの付着位置を制御するものである。

上流側メッシュ電極３０ａ、中心電極４０および対向電極５０ａ，５０ｂには、導電性・耐熱性・耐腐食性に優れた金属材料、例えばステンレス鋼を用いるのが好適である。上流側メッシュ電極３０ａにはそのワイヤネットを、また対向電極５０ａ，５０ｂにはその板材を用いることができる。なお中心電極４０には、放電を促進するために枝状の突起を設けてもよい。

メッシュ電極３０ａ，３０ｂ、中心電極４０および対向電極５０ａ，５０ｂに高電圧を印加するために、吸着用電源回路６０，焼却用電源回路６１および掃引用電源回路６２が設けられている。これら電源回路６０，６１，６２はそれぞれ、インバータ回路・トランス・整流用のダイオード・スイッチング回路等を含むものである。電源回路６０，６１，６２には、これに給電するための図示しない直流電源（本実施形態では、車両の補機バッテリ）、および、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ＥＣＵ７０が接続されている。

エンジンＥＣＵ７０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んでいる。エンジンＥＣＵ７０の入出力ポートには、エンジン回転数センサ７１、スロットル開度センサ７２、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ７３、吸気側に設けられたエアフローメータ７４および吸気圧力センサ７５、排気側に設けられたＯ_２センサ７６等が接続されており、エンジンＥＣＵ７０ではこれらの検出信号に基づいて夫々の値が算出され、後述のとおり処理される。

エンジンＥＣＵ７０は、所定の制御プログラム等に従うと共に、各種のセンサ類からの内燃機関の状態を示す信号に基づいて、電源回路６０，６１，６２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）や、電源回路６０，６１，６２からの出力電圧値を指示するための電圧指示信号を生成する。

エンジンＥＣＵ７０から駆動パルス信号と電圧指示信号が与えられると、電源回路６０，６１，６２では、直流電源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、トランスによって昇圧させられると共に必要に応じてダイオードにより整流され、これにより所定の電圧が後述のとおり出力されることになる。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。いま、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ＥＣＵ７０は、電源ＯＮ信号を電源回路６０，６１，６２に与えて、電源回路６０，６１，６２の作動を開始させる。また電源回路６０，６１，６２の始動後にはエンジンＥＣＵ７０は、駆動パルス信号と電圧指示信号とを内燃機関の運転状態に応じて生成し、電源回路６０，６１，６２に与える。

図３は電源回路６０，６１，６２からの出力電圧を示すタイミング図である。吸着用電源回路６０から下流側メッシュ電極３０ｂと中心電極４０に対しては、一定値である電圧Ｖａが印加される。掃引用電源回路６２から対向電極５０ａ，５０ｂに対しては、０Ｖを挟んで正負に周期的に変化する電圧Ｖｓが印加される。焼却用電源回路６１から上流側メッシュ電極３０ａと下流側メッシュ電極３０ｂとに対しては、直流パルス状の電圧Ｖｂが印加される。

これにより排ガス中のＰＭは、中心電極４０からの放電によって帯電され、これと異極である下流側メッシュ電極３０ｂおよびハニカム構造体２０に吸引される。ここで、掃引用電源回路６２から対向電極５０ａ，５０ｂに対して、０Ｖを挟んで正負に周期的に変化する電圧Ｖｓが印加されるので、対向電極５０ａ，５０ｂの作用によってＰＭの移動経路が制御される。したがって、ＰＭの付着をハニカム構造体２０の軸心の近傍に集中させず周辺部まで一様にすることができる。

また本実施形態では、エンジンの運転状態に応じて、対向電極５０ａ，５０ｂへの印加電圧の周波数、焼却用電源回路６１からの時間あたりパルス数、および吸着用電源回路６０からの電圧をそれぞれ変化させる。具体的には、エンジン回転数センサ７１によって検出されたエンジン回転数が所定の閾値を超えているとき（図３における時刻ｔ１から同ｔ２までの期間）に、対向電極５０ａ，５０ｂへの印加電圧の周波数、焼却用電源回路６１からの時間あたりパルス数、および吸着用電源回路６０からの電圧をそれぞれ増加させる。

図４は、ここで用いられるエンジン回転数と対向電極５０ａ，５０ｂへの印加電圧の周波数との関係の設定例を示す。図示のとおり、エンジン回転数が小であるほど、印加電圧の周波数は大とされているが、エンジン回転数に応じた印加電圧の周波数は、実線で示される設定例ｆ１のように離散的に、すなわち排ガス流量が所定の閾値ｔｈ１を上回っている場合に比べ、これを下回っている場合にｗ２／ｗ１が相対的に大きい値をとるように定める。このような設定は、あらかじめエンジンＥＣＵ７０のＲＯＭの所定領域に、閾値、関数またはテーブル形式のデータとして格納しておくのが好適である。

一般にエンジン回転数が高いときほど排ガスの流量（時間あたり体積）や排出される有害物質量が大きくなるが、例えばエンジンが一時的に高回転となる時間が対向電極５０ａ，５０ｂへの電圧印加周期の半分程度の短い時間である場合には、もし印加電圧の周波数が通常時と同じであれば、ハニカム構造体２０におけるＰＭの付着位置は偏るおそれがある。したがって、そのような場合に本実施形態のように対向電極５０ａ，５０ｂへの印加電圧の周波数を高くすれば、これによってＰＭの付着位置の径方向の偏りを防止することができる。なお、対向電極５０ａ，５０ｂに対する印加電圧の周期は、エンジン回転数が一時的に高くなり所定の基準値を上回るような期間（最短で例えば１秒）より常に小さく設定するのが好適である。

また、エンジン回転数が高く排ガス中の有害物質量が大きい場合には、焼却用電源回路６１による焼却処理の処理能力を上げる必要がある。したがって、そのような場合に本実施形態のように焼却用電源回路６１からの時間あたりパルス数を増加させれば、これによってハニカム構造体２０へのＰＭの堆積を抑制することができる。

また、エンジン回転数が高く排ガスの流量が大きい場合にはその流速も大であるから、もし吸着用電源回路６０への印加電圧が通常時と同じであれば、ひとたびハニカム構造体２０のセル２０ａに吸着されたＰＭが、高まった流体抵抗により剥離し、未処理のまま下流へと排出されてしまうおそれがある。したがって、そのような場合に本実施形態のように吸着用電源回路６０による印加電圧を増加させれば、これによってハニカム構造体２０からのＰＭの剥離を抑制することができる。

焼却用電源回路６１による直流パルス電圧の印加に伴い、上流側メッシュ電極３０ａと下流側メッシュ電極３０ｂとの間に電界が形成される。ハニカム構造体２０に吸着されているＰＭは、この電界による放電に伴って発生する熱によって酸化ないし燃焼され、ＣＯ_２などへと無害化される。また、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘは、プラズマのエネルギにより排ガス中の酸素と反応してＮ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏなどへと無害化され、また着火により焼却されることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、電界制御用の対向電極５０ａ，５０ｂの作用によってＰＭの移動経路が制御され、印加電圧の周期的な可変によって、ハニカム構造体２０におけるＰＭの付着を一様にすることが可能となる。そして、エンジンの運転状態に応じて印加電圧の周波数を変更するので、被処理物質の供給量に応じてＰＭの付着を適切に制御することができる。

また、一般にエンジンの回転数が高いほど排ガス流量は大となるため、本実施形態のようにエンジンの回転数が大であるほど電界制御用の対向電極５０ａ，５０ｂに対する印加電圧の周波数を高く制御することにより、簡易な処理で本発明による効果を得ることができる。

なお、上記実施形態では、エンジン回転数と対向電極５０ａ，５０ｂへの印加電圧の周波数との関係を、図４における設定例ｆ１のように離散的に設定したが、このような設定に代えて、図４において一点鎖線で示される設定例ｆ２のように、エンジン回転数が大きくなるほど印加周波数が漸増するように実質的に連続的に定めてもよい。

また、上記実施形態では、エンジンの運転状態を示す物理量としてエンジン回転数を用いたが、本発明におけるエンジンの運転状態の検出には、エンジン回転数のほか、スロットル開度センサ５５により検出されるスロットル開度、Ａ／Ｆセンサ５６により検出される空燃比、エアフローメータ５７により検出される吸気量のほか、可変バルブタイミング機構の作動位置、本制御とは別途に行われる燃料噴射制御においてエンジンＥＣＵ７０で設定される燃料噴射量、吸気圧力センサ７５で検出される吸気圧力、Ｏ_２センサ７６で検出される酸素濃度、不図示のアクセルセンサにより検出されるアクセルペダル操作量、不図示の排気温度センサにより検出される排気温度、不図示の外気温度センサにより検出される外気温度、不図示のイグニッションスイッチおよびソフトウェアタイマにより検出されるエンジン始動後の経過時間など、排ガス流量または被処理物質の時間あたり供給量に関連しその推定に利用可能な各種のパラメータに係る現在値や目標値を用いることができる。

また、上記実施形態では平行平板状の対向電極５０ａ，５０ｂを用いたが、対向電極の形状は任意であって、他の形状を任意に採用できる。また、上記実施形態では３種類の電源回路６０，６１，６２を個別に設けたが、他の回路構成、例えばこれら電源回路のうちの幾つかを統合すると共に目的に応じて給電先を切替える構成などを任意に採用できる。また、本実施形態ではハニカム構造体２０の前後にメッシュ電極３０ａ，３０ｂを用いる構造のプラズマリアクタを用いたが、本実施形態では他の構造のプラズマリアクタ、例えばメッシュ電極に代えてハニカム構造体２０の周面に筒状の外周電極を固定した構造のものなどを任意に採用できる。

また、上記実施形態では、エンジンの制御を行うエンジンＥＣＵ７０によって本発明に係る制御をも行う構成としたが、本発明に係る制御はエンジンＥＣＵとは別途の処理装置で行うと共に、必要に応じて制御パラメータの一部または全部をエンジンＥＣＵなど外部から情報として取得することとしてもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。

本発明の実施形態の排ガス浄化装置の概略を示すブロック図である。ハニカム構造体およびメッシュ電極を示す斜視図である。複数のメッシュ電極への電圧印加の状態を示すタイミング図である。エンジン回転数と対向電極への印加電圧周波数との関係の設定例を示すグラフである。

符号の説明

１排ガス浄化装置
１０浄化容器
２０ハニカム構造体
３０ａ，３０ｂメッシュ電極
４０中心電極
５０ａ，５０ｂ対向電極
６０吸着用電源回路
６１焼却用電源回路
６２掃引用電源回路
７０エンジンＥＣＵ

Claims

エンジンからの排ガス流路中に配置されたハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上流側からハニカム構造体の軸線上に延びる中心電極と、前記ハニカム構造体に固定され前記中心電極とは逆極性の電圧を印加される吸着側電極と、前記中心電極と前記ハニカム構造体との間に配置された電界制御用対向電極と、前記電界制御用対向電極に対する印加電圧を周期的に可変する制御手段と、を備えた排ガス浄化装置であって、
前記制御手段は、前記エンジンの運転状態に応じて前記電界制御用対向電極に対する印加電圧の周波数を変更することを特徴とする排ガス浄化装置。
前記運転状態は前記エンジンの回転数であり、前記制御手段は、前記回転数が大であるほど、前記周波数を高く制御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。