JP2005344577A

JP2005344577A - 排ガス浄化装置およびプラグキャップ

Info

Publication number: JP2005344577A
Application number: JP2004163737A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】高電圧の印加により排ガスを処理する排ガス浄化装置において、給電経路の劣化を早期に検出する。
【解決手段】プラグキャップ４６内のキャップ内シールド層４９に、絶縁破壊を誘発するための突起４９ａを設ける。プラグキャップ４６の碍子部４８にクラックなどの損傷または劣化が生じている場合には、突起４９ａおよび碍子部４８の螺旋溝４８ａの作用によって両者間の絶縁破壊が誘発され、放電が促進される結果、両者間に瞬間的な大電流が流れ、これに応答して給電が遮断され、リアクタ２への給電が停止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、高電圧の印加により内燃機関の排ガスを処理する排ガス浄化装置、および該装置に好適に用いられるプラグキャップに関する。

車両などの内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、近年、排ガスの流路中に設置された複数の電極間に、直流・直流パルスまたは交流の高電圧を印加して排ガス中のＮＯｘなどの所定物質を活性化させ、反応を促進してＮ_２等の物質に変換させる排ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような装置では、平板電極間にハニカム担体触媒を配置して高電圧処理部を構成すると共に、バッテリから供給される直流電圧を高圧電源発生部によって高圧交流電圧に変換し、この高圧交流電圧を高電圧処理部の平板電極間に印加することによって放電を生じさせ、ＮＯｘの反応を促進して排ガスを浄化している。

他方、円筒形の外周電極と、この外周電極の軸線に沿って延びる棒状の中心電極とを有し、両電極間に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて、通過する排ガスを浄化するような、いわば透過型またはストレートフロー型の排ガス浄化装置も提案されている（例えば特許文献２参照）。このような装置では、通過する排ガス中のＮＯｘなどの物質がＮ_２等に変換されると共に、供給される排ガス中のＰＭ（particulate matter; 粒子状物質）が中心電極からの放電により帯電され、これと逆極性である外周電極側に吸着され、高電圧の印加に伴って発生する熱により焼却処理される。排ガスが繊維フィルタを通過するようないわば濾過型の装置に比して、このような透過型の装置は、ＰＭの排気抵抗による圧力損失が小さいという利点がある。

特許第３１４７１９３号公報特開平８−３２３１４７号公報

ところで、この種の排ガス浄化装置において、装置のケースに外部から固定される給電プラグは、高電圧条件下での漏電を抑制するために、エンジン点火用のスパークプラグと同様に、給電線に接続される長尺のプラグ電極の上端部および下端部を除く周囲を絶縁碍子で被覆する構造が適切と考えられる。また、このような給電プラグに給電するためのプラグキャップとしては、給電プラグの絶縁碍子とプラグ電極の上端部とを覆うような絶縁体層の外側に、電気的に接地された電磁シールド層を形成する構造を考えることができる。

しかしながら、この構造では、プラグキャップ内の絶縁体層にクラックなどの損傷または劣化が生じた場合に、プラグ電極と電磁シールド層との間に比較的弱い電流が流れ、浄化装置への電力の供給が不十分となって、浄化性能を低下させてしまう。

そこで本発明の目的は、高電圧の印加により排ガスを処理する排ガス浄化装置において、給電経路の劣化を早期に検出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、高圧電源からの高電圧によって排ガスを処理するリアクタと、前記リアクタ内に給電するための給電プラグと、前記高圧電源からの高電圧を前記給電プラグに供給するためのプラグキャップであって給電線の外周に絶縁体層を挟んでシールド層を備えたプラグキャップと、前記給電線に印加される電流が所定値以上の場合に給電を停止する制御手段と、を備えた排ガス浄化装置であって、前記プラグキャップにおける前記シールド層と前記絶縁体層との少なくともいずれか一方に、前記絶縁体層の劣化時における前記シールド層と前記給電線との間の放電を促進する放電促進手段を設けた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、放電促進手段によって、絶縁体層の劣化時におけるシールド層と給電線との間の放電が促進されるので、この放電の際の過電流を検出することにより、給電経路の劣化を早期に検出でき、以後の電力損失を低減できる。

本発明における放電促進手段は、第２の本発明のようにシールド層の内側に設けた突起とし、あるいは第３の本発明のように、絶縁体層の外側に設けた凹部とするのが特に好適である。また第４の本発明のように、放電促進手段を備えたプラグキャップを用意すれば、放電に応答して給電線への給電を停止する制御手段を併せて利用することによって、第１の本発明と同様の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。図１において、本発明の第１実施形態の排ガス浄化装置１は、ディーゼルエンジンを搭載した車両に適用されるものであり、排ガスを高電圧の印加によって処理するリアクタ２、このリアクタ２に高電圧を供給する高圧電源３、および装置全体を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）４を含んで構成されている。

リアクタ２はプラズマリアクタまたはコロナリアクタであり、外周電極または受電極としての機能を有する浄化容器１０と、この浄化容器１０内に挿通された内部電極２０とを含んで構成されている。

浄化容器１０は、金属とくにＳＵＳなどの耐熱導電性材料により、長手方向中央部が拡径された筒体として形成されており、入口端部１１および出口端部１２と、適用対象である排気管よりも大径の円筒形の拡径部１３と、入口端部１１と拡径部１３との間および出口端部１２と拡径部１３との間に形成されたコーン部１４とを含む。

内部電極２０は、浄化容器１０の軸線上に配置されて排ガスの流れ方向に延びる。内部電極２０には金属とくにＳＵＳやタングステンのプレス焼成品その他の耐熱導電性材料を用いるのが好適である。

内部電極２０は、アルミナまたはセラミックス等の絶縁材からなる縦長棒状の支柱１５，１６の通孔に摺動可能に挿通されており、内部電極２０はこれら支柱１５，１６によって浄化容器１０に対し絶縁的に支持されている。内部電極２０の上流側の端部付近には、ストッパ２１が固定されている。内部電極２０の下流側の端部付近には、支柱１６との間に押しバネである不図示のコイルスプリングを挟んでストッパ２３が固定されている。なお、内部電極２０はこのコイルスプリングによって、内部電極２０の伸長方向である下流側に向けて常時付勢されており、この付勢によって、内部電極２０の熱膨張に伴う屈曲の防止が図られている。

浄化容器１０の上流側のコーン部１４には、給電プラグ３０が設置されている。図２に示されるとおり、給電プラグ３０は、その中央を貫通するプラグ電極３１、その中間部を覆う絶縁碍子３２および金属製のシェル３３を含んで構成されている。プラグ電極３１の下端部は、内部電極２０の上流側の端部に対向させられており、プラグ電極３１と内部電極２０との間には、動作の際の振動下においてプラグ電極３１と内部電極２０との干渉を避けるための空隙が設けられている。そしてプラグ電極３１の先端部と、内部電極２０の上流側の端部とが、可撓性を有するコイル状の導電線３４によって結合されている。

給電プラグ３０には給電ケーブル４０が接続されている。給電ケーブル４０は、撚線などの給電線４１の外周に、シリコンゴムまたはフッ素ゴム等の高耐電圧かつ高耐熱の材料からなる絶縁被覆層４２、および編組線などの電磁シールド層４３を備えている。給電線４１は、プラグキャップ４６内の接続端子４７に接続されており、接続端子４７は、プラグキャップ４６と給電プラグ３０の絶縁碍子３２との嵌合の際に、プラグ電極３１の上端部に固定されたターミナルナット３５と嵌合して電気的に接続される。

プラグキャップ４６は、給電プラグ３０の絶縁碍子３２を受け入れる絶縁体層である碍子部４８と、その外側を囲むように設けられたＳＵＳまたは銅などの導電体からなるキャップ内シールド層４９と、プラグキャップ４６の最外周を覆う樹脂などの保護層５０とを備えている。なお、プラグキャップ４６と給電プラグ３０との嵌合に伴ってキャップ内シールド層４９とシェル３３とが接触および導通し、これによってキャップ内シールド層４９が電気的に接地される。

図２および図３に示されるとおり、略円筒形であるキャップ内シールド層４９の内面には、螺旋状の突起４９ａが設けられている。突起４９ａは三角ネジ状であって、その先端は鋭利に形成されている。また碍子部４８の外周面には、突起４９ａに対応する形状の凹部である螺旋溝４８ａが形成されている。これら突起４９ａおよび螺旋溝４８ａは、本発明における放電促進手段を構成する。すなわち、これら突起４９ａおよび螺旋溝４８ａが存在しない構造では、絶縁体層である碍子部４８にクラックなどの破損または劣化が生じた場合に、プラグ電極３１とキャップ内シールド層４９との間に比較的弱い電流が流れ、リアクタ２への電力の供給が不十分となって、浄化性能を低下させてしまうおそれがある。これに対し本実施形態では、突起４９ａによって放電に係る導体間の距離の短縮と、鋭利な先端形状による放電の促進とが図られると共に、螺旋溝４８ａによって碍子部４８に薄肉で電気抵抗の小さい部分が形成され、両者によって、碍子部４８が破損または劣化した際の絶縁破壊が誘発され、放電が促進されることになる。

再び図１において、リアクタ２に高電圧を印加するための高圧電源３は、インバータを含んで構成されたパルス生成部と、トランスを含んで構成された昇圧回路とを備えている。

ＥＣＵ４は、その詳細は図示しないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび不揮発性メモリ等を含んだワンチップマイクロプロセッサとして構成されている。ＥＣＵ４の入力ポートには、高圧電源３からの出力電流を検出する電流センサ６、ならびに高圧電源３による給電制御その他の処理に用いられる不図示の各種センサ、すなわちスロットル開度センサ、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ、吸気側に設けられたエアフローメータ、吸気マニホールドに設けられた吸気圧力センサ、排気マニホールドに設けられたＯ_２センサなどが接続されており、ＥＣＵ４ではエンジンの状態を示す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。ＥＣＵ４の出力ポートには、高圧電源３、ならびに燃料噴射制御など他の車両制御に用いられる不図示のアクチュエータ類が接続されている。

ＥＣＵ４のＲＯＭには、制御プログラムや基準値などのデータが予め格納されている。ＥＣＵ４は所定の制御プログラム等に従うと共に、スロットル開度センサ・Ａ／Ｆ（空燃比）センサ・エアフローメータ・吸気圧力センサ・Ｏ_２センサ等の検出値に基づいて排ガスの流量を算出し、この排ガス流量に基づいて、高圧電源３のパルス生成部を駆動するための駆動パルス信号（ゲート信号）や電圧指示信号を算出し出力する。高圧電源３では、バッテリ５からの直流電圧がパルス生成部によって高周波パルスに変換され、昇圧回路によって昇圧されて出力され、これによりリアクタ２に電圧が印加されることになる。

またＥＣＵ４のＲＯＭには、電流センサ６の検出値と所定の基準値とを比較すると共に前者が後者を上回った場合に高圧電源３の給電を停止させる異常停止処理を実行するためのプログラムが格納されている。この異常停止処理における電流の基準値または閾値は、浄化容器１０と内部電極２０との間でコロナ放電などの放電が生じている通常運転時の電流値より高く、且つ、絶縁体層である碍子部４８にクラックなどの損傷または劣化が生じた際に生じると想定される電流値（例えば、アーク放電時の電流値）よりも低く設定されている。

以上のとおり構成された本実施形態におけるＥＣＵ４の動作について、図４に従って説明する。まず、電流センサ６からの信号に基づいて給電経路中の電流値が算出され、ＥＣＵ４に読み込まれる（Ｓ１０）。次に、読み込まれた電流値が基準値と比較される（Ｓ２０）。絶縁体層である碍子部４８にクラックなどの損傷または劣化が生じていない通常運転時にはステップＳ２０で肯定され、リアクタ２に対する給電が行われる（Ｓ３０）。

その結果、エンジンからの排ガスが図中白抜き矢印方向に供給された状態で、内部電極２０と浄化容器１０とに、内部電極２０を陽極（高電圧側）とし浄化容器１０を陰極として、高圧電源３から高電圧が印加される。これにより内部電極２０と浄化容器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、排ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった成分を、排ガス中の酸素と反応させて浄化し、またエンジンからの排ガスに含まれるＰＭを浄化容器１０に吸着させ、着火させて焼却ないし酸化させることが可能となる。

他方、ステップＳ２０で否定の場合、すなわちリアクタ２への給電経路の電流値が基準値以上である場合には、リアクタ２への給電は行われない（Ｓ４０）。すなわち、ＥＣＵ４から高圧電源３のパルス生成部に対する電圧指令値がゼロにされ、リアクタ２への給電が停止される。

以上の構成によれば、プラグキャップ４６の碍子部４８にクラックなどの損傷または劣化が生じている場合には、キャップ内シールド層４９の突起４９ａおよび碍子部４８の螺旋溝４８ａの作用によって両者間の絶縁破壊が誘発され、放電が促進される結果、両者間に瞬間的な大電流が流れ、これに応答してリアクタ２への給電が停止されることになる。

以上のとおり、本実施形態では、接地されたキャップ内シールド層４９と陽極であるプラグ電極３１との間の放電を促進する手段を設けたので、碍子部４８の劣化時における放電が促進される。したがって、この放電の際の過電流を検出しこれに応答して給電線への給電を停止または遮断する手段を利用することにより、給電経路の劣化を早期に検出でき、以後の電力損失を低減することも可能となる。

また本実施形態では、放電促進手段としてシールド層の内側に設けた突起４９ａ、および絶縁体層である碍子部４８の外側に設けた螺旋溝４８ａを用いたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

また本実施形態では、キャップ内シールド層４９によって給電線４１が被覆されているので、高電圧の印加により排ガスを処理する排ガス浄化装置１にあって、その給電線４１が発生するスイッチングノイズが周囲に及ぼす電磁的影響を抑制できる。

なお、本発明は上記実施形態の態様に限られず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、放電促進手段としてシールド層の突起４９ａと碍子部４８の螺旋溝４８ａの両者を設けたが、これらのうち一方のみを設けてもよい。また放電促進のための突起または溝ないし凹部の形状は螺旋状に限らず、環状、直線または曲線の畝状、散点状などとしてもよい。また、上記実施形態では電流センサ６を設け、その検出値に応じて電子制御装置によって給電を停止または遮断することとしたが、本発明において放電に応答して給電線への給電を遮断する制御手段としては、過電流に応じて電流を遮断するヒューズ、あるいはバイメタルや零相変流器などを利用したブレーカなど、従来公知の種々の手段を利用することができる。

また、本発明におけるリアクタも上述したもの以外の各種の構成を採用できる。例えば本発明では、浄化容器１０に囲まれた空間にセラミックスなどのハニカム構造体を設置するなど、プラズマの利用の有無やＰＭの濾過如何にかかわらず、電力の作用により排ガスを改質処理しうる各種のものを用いることができ、いずれも本発明の範疇に属するものである。また本発明は、車両以外の内燃機関について適用できることはいうまでもない。

本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るプラグキャップを示す一部切欠した側面図である。プラグキャップを示す図２のＡ−Ａ線断面図である。本発明の実施形態における処理の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１排ガス浄化装置
２リアクタ
３高圧電源
４電子制御装置（ＥＣＵ）
５直流電源
１０浄化容器
２０内部電極
３０給電プラグ
４０給電ケーブル
４６プラグキャップ
４８碍子部
４８ａ螺旋溝
４９キャップ内シールド層
４９ａ突起

Claims

高圧電源からの高電圧によって排ガスを処理するリアクタと、
前記リアクタ内に給電するための給電プラグと、
前記高圧電源からの高電圧を前記給電プラグに供給するためのプラグキャップであって給電線の外周に絶縁体層を挟んでシールド層を備えたプラグキャップと、
前記給電線に印加される電流が所定値以上の場合に給電を停止する制御手段と、
を備えた排ガス浄化装置であって、
前記プラグキャップにおける前記シールド層と前記絶縁体層との少なくともいずれか一方に、前記絶縁体層の劣化時における前記シールド層と前記給電線との間の放電を促進する放電促進手段を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
前記放電促進手段は、前記シールド層の内側に設けた突起であることを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、
前記放電促進手段は、前記絶縁体層の外側に設けた凹部であることを特徴とする排ガス浄化装置。
給電線の外周に絶縁体層を挟んでシールド層を備え、高圧電源からの高電圧を前記給電線によって排ガス浄化装置に供給する排ガス浄化装置用プラグキャップであって、
前記シールド層と前記絶縁体層との少なくともいずれか一方に、前記絶縁体層の劣化時における前記シールド層と前記給電線との間の放電を促進する放電促進手段を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置用プラグキャップ。