JP2008045409A

JP2008045409A - 排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2008045409A
Application number: JP2006218761A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】プラズマリアクタをオゾン発生装置として利用する構成において、排気温度を考慮してプラズマリアクタを制御するにあたり、専用の温度センサを用いないシステムを提供する。
【解決手段】排熱回収器３（熱電変換装置）の発電量に基づいて、排気ガスの温度を推定する。排気温度を考慮してオゾン発生器２０を制御するにあたり、専用の温度センサを用いないシステムを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムに関する。

内燃機関の排気ガスを浄化するための技術として、近年、複数の電極間に高電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマリアクタの利用が提案されている。特許文献１は、プラズマリアクタによって排気ガスの成分から活性種を生成させ、排気ガス中のＨＣやＣＯを処理する装置を開示している。また特許文献２は、プラズマリアクタによって大気からオゾン（Ｏ_３）を生成させ、これを排気通路中のフィルタに向けて供給することで、フィルタに捕集された粒子状物質（Particulate Matter;ＰＭ）を酸化処理する装置を開示している。

他方、高電圧を利用するプラズマリアクタは大きな電力を必要とするため、排気ガスの熱エネルギを電力として回収する熱電変換装置を備え、その電力を利用してプラズマリアクタを駆動するシステムも提案されている（例えば、特許文献３）。

特開２００５‐２２６４７３号公報特表２００５‐５０２８２３号公報特開２００３‐２９３７４１号公報

特許文献１および同２の装置は、排気温度を専用の温度センサで検出し、排気温度に応じてプラズマリアクタを制御しているが、専用の温度センサの設置はコスト増につながり好ましくない。特許文献３の装置は、排気温度を考慮していない。

そこで本発明の目的は、プラズマリアクタをオゾン発生装置として利用する構成において、排気温度を考慮してプラズマリアクタを制御するにあたり、専用の温度センサを用いずに済むシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気ガスの熱エネルギを電力に変換する熱電変換装置と、前記内燃機関の排気通路に設置され排気ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集装置と、電力の作用によってオゾンを発生させ前記粒子状物質捕集装置に供給可能なオゾン発生装置と、前記排気ガスの温度に応じて前記オゾン発生装置を制御する制御手段と、を備えた排気ガス浄化システムであって、前記熱電変換装置の発電量に基づいて前記温度を推定する温度推定手段を更に備えたことを特徴とする。

熱電変換装置の発電量は、排気ガスの温度に応じて異なるので、この発電量に基づいて排気ガスの温度を推定することができる。本発明では、熱電変換装置の発電量に基づいて排気ガスの温度を推定する温度推定手段を更に備えたので、排気温度を考慮してプラズマリアクタを制御するにあたり、専用の温度センサを用いないシステムを提供することができる。

本発明では、熱電変換装置からの電力を充電可能な蓄電装置を更に備え、制御手段は、推定された排気ガスの温度が所定の低温しきい値を下回った場合に、蓄電装置の電力によってオゾン発生装置を動作させ、前記温度が前記低温しきい値以上の場合に、前記熱電変換装置からの電力によって前記オゾン発生装置を動作させるのが好適である。この場合には、熱電変換装置からの電力によってオゾン発生装置を動作させるので、排気ガスの熱エネルギを利用して燃料消費を抑制することができる。

前記制御手段は更に、排気ガスの温度が前記低温しきい値よりも高い所定の高温しきい値を上回った場合に、オゾン発生装置の動作を抑制すると共に、熱電変換装置からの電力を蓄電装置に供給させるのが好適である。この場合には、粒子状物質を有利に酸化できると共にオゾンが分解され無駄になり易い高温時に、排気ガスの熱エネルギを電力として有効に回収することができる。

本発明では更に、前記蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段を更に備え、制御手段は、排気ガスの温度が高温しきい値を上回った場合であっても、充電状態が所定の満充電しきい値を上回った場合には、熱電変換装置からの電力を蓄電装置に供給させないのが好適である。この場合には、過充電による弊害、例えば蓄電装置の劣化を抑制することができる。

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、本発明の実施形態の排気ガス浄化システム１は、車両に適用されるものであり、不図示のエンジンの燃焼室から矢印Ａ方向に排出される排気ガスを浄化するために、エンジンの排気経路である排気管２に組み込まれた排熱回収器３およびＤＰＦ４を含んで構成されている。エンジンとしてはディーゼル内燃機関が用いられる。

排熱回収器３は、扁平な筒状の本体１１と、その平坦な上面および下面に固定された多数の熱電ユニット１２を含んでいる。これら多数の熱電ユニット１２は、冷却パイプ１０によって互いに連通されており、冷却パイプ１０には、エンジンの冷却水のような低温媒体が供給される。

各熱電ユニット１２は、図２に示されるように、高温側部材１３、熱電素子１４および低温側部材１５から構成されている。熱電素子１４および低温側部材１５は、本体１１の外周面に、それぞれシート状の絶縁材１６を介して固定されている。高温側部材１３は、本体１１の内側に突出するように固定されている。

高温側部材１３は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料から形成されており、排気ガスの流れ方向に沿って規則的に形成された多数のフィン１３ａを有する。

低温側部材１５は、多数の低温媒体通路１５ａを有し、これら低温媒体通路１５ａには、冷却パイプ１０からの冷却媒体が図１における矢印Ｂ方向に供給される。冷却媒体としてはエンジン冷却水（いわゆるＬＬＣ）が好適である。

排気ガスからの熱によって、フィン１３ａを介して高温側部材１３が昇温され、他方、冷却媒体の循環に伴う冷却により、低温媒体通路１５ａを介して低温側部材１５が冷却される。その結果、低温側部材１５と高温側部材１３との間の温度差が生じることになる。

熱電素子１４は、ゼーベック効果を利用した発電装置であって、図３に示されるように、多数のｎ型半導体１７ｎおよびｐ型半導体１７ｐを交互に配列し、ｎ型半導体１７ｎの上端をその一方側に隣接するｐ型半導体１７ｐの上端に結合電極１８ａで結合し、またｎ型半導体１７ｎの下端を、その他方側に隣接するｐ型半導体１７ｐの下端に結合電極１８ｂで結合してなるものである。結合電極１８ａ，１８ａの間および結合電極１８ｂ，１８ｂの間は、それぞれ絶縁材１９によって絶縁されている。この熱電素子１４では、結合電極１８ａ，１８ｂ間に温度差が存在すると、これら結合電極１８ａ，１８ｂ間に電位が発生するため、この熱電素子１４を多数直列に連結することにより、発電電力の大きな発電装置を形成することができる。本実施形態では本体１１の表裏で合わせて１６個の熱電素子１４が電気的に直列に接続されている。そして、エンジンの運転により排気温度が上昇すると、高温側部材１３の温度が上昇し、低温に保たれている低温側部材１５との間に温度差が生じる。これによって、熱電素子１４において排気中の熱エネルギの電気エネルギへの変換、すなわち発電が行われる。排熱回収器３の発電量（電力）は、排ガス温度に応じて異なり、実用的な温度領域において、発電電力は温度に概ね比例して増大する。なお、本実施形態では排熱回収器３をＤＰＦ４の上流側に設けたが、排熱回収器３はＤＰＦ４の下流側に配置してもよい。

ＤＰＦ４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（Diesel Particulate Filter）であり、断面略正方形の多数のセルがその軸線方向に沿って規則的に形成され、各セルは薄いセル壁によって互いに仕切られている。各セルはその前端部と後端部とで開放しており、これにより概ね円筒形の容器内の上流側と下流側とを連通させている。セル壁の表面には、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。

排気ガス浄化システム１は更に、オゾン発生器２０を含む。オゾン発生器２０は、概ね円筒形の容器２１と、容器２１の内部に配置された概ね円筒形の外周電極２２と、外周電極２２の長手方向軸心上に配置された細径棒状の中心電極２３と、大気を容器２１内に導入するためのポンプ２４とを有する。オゾン発生器２０の上流側はポンプ２４を介して大気に開放され、下流側は排気管２におけるＤＰＦ４の上流側に接続されている。

外周電極２２および中心電極２３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り、外周電極２２にはその板・箔・ワイヤネットまたはパンチング材を用いることができる。オゾン発生器２０は、電力の作用によって大気中の酸素Ｏ_２からオゾンを発生させると共に、ＤＰＦ４に供給可能である。

排熱回収器３の高電圧側は、ダイオード２９を介して、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の入力端子に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の出力端子は、リレー回路４０を介して、オゾン発生器２０およびバッテリ５０に接続されている。

ＤＣ-ＤＣコンバータ３０は、単一方向の変圧作用を行う同期整流チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータおよびこれをデューティ制御するためのＰＷＭコントローラを含んで構成されており、排熱回収器３からの電圧を昇圧する。

リレー回路４０は、３つのリレーＲＹ１，ＲＹ２，ＲＹ３を含んで構成されている。リレーＲＹ２，ＲＹ３は直列に設けられ、これらリレーＲＹ２，ＲＹ３と並列にリレーＲＹ１が設けられている。リレーＲＹ２，ＲＹ３の中間点にはバッテリ５０が分岐して接続されている。

バッテリ５０は車載の補機バッテリであり、走行用のバッテリとは別個に備えられる。バッテリ５０としては、例えば出力が１４Ｖ程度の鉛蓄電池を用いるのが好適である。なお、本発明における蓄電装置としては走行用のバッテリを用いてもよく、また例えば静電容量が１Ｆ程度の大容量コンデンサを用いてもよい。

システム全体を制御する電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）６０は、その詳細は図示しないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置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。ＥＣＵ６０の入出力ポートには、排熱回収器３の端子電圧を検出する電圧センサ６１および電流を検出する電流センサ６２、バッテリ５０の充電状態（State Of Charge；ＳＯＣ）を検出するＳＯＣセンサ６３、エンジンのクランク軸に設けられたクランク角センサ６４などの各種センサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ６０は、そのＲＯＭに格納された所定の制御プログラム等に従ってシステムの運転のための必要な演算処理を行うと共に、各種センサからの各部の状態を示す信号に基づいて、ポンプ２４、ＤＣ‐ＤＣコンバータ３０、およびリレー回路４０の各リレーＲＹ１，ＲＹ２，ＲＹ３に対する制御出力を行う。

ＥＣＵ６０のＲＯＭには、排熱回収器３の発電電力Ｐｇと排気ガス温度Ｔｇとを関連付けてなる発電電力‐温度マップ（図４）、排気ガス温度ＴｇとＰＭ排出量Ｍとを関連付けてなる温度‐ＰＭ排出量マップ（図５）、ＰＭ排出量Ｍと必要オゾン量とを関連付けてなるＰＭ排出量‐必要オゾン量マップ（図６）、および必要オゾン量とオゾン発生電源への投入電力Ｐｉとを関連付けてなる必要オゾン量‐投入電力マップ（図７）が予め格納されている。これらのマップは、下記の制御において後述のとおり参照される。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。いま、エンジンの運転に伴い、排気ガスが図１中矢印Ａ方向に供給され、排熱回収器３の高温側部材１３の温度が上昇すると、冷却媒体により低温に保たれている低温側部材１５との間に温度差が生じる。その結果、排熱回収器３の熱電素子１４によって発電が行われる。

排熱回収器３の出力電圧は、排気ガス流量などのエンジンの運転状態に応じたＥＣＵ６０の制御出力に基づき、ＤＣ‐ＤＣコンバータ３０によって１ｋＷ程度に昇圧され、オゾン発生器２０またはバッテリ５０に印加される。ＤＣ‐ＤＣコンバータ３０からの電力がオゾン発生器２０に供給される場合には、電圧の印加に伴い、中心電極２３からの放電が行われ、これによって大気中の酸素Ｏ_２からオゾンＯ_３が発生させられ、ポンプ２４の圧力によって、ＤＰＦ４に供給されることになる。この場合にはＥＣＵ６０の制御により、ＤＣ‐ＤＣコンバータ３０の出力を直流パルスとするのが好適である。

以上が本実施形態における基本的な動作であるが、リレー回路４０による各機器の接続状態は、以下のように推定された排気ガス温度Ｔｇに応じて切替えられる。図８のルーチンは、エンジンの動作中（例えばイグニッションキーがオンされ且つクランク角センサ６４が動作を検出している間）に、所定時間ごとに繰返し実行される。

図８において、まず、ＥＣＵ６０は、電圧センサ６１および電流センサ６２の検出値の積値により、排熱回収器３の発電電力Ｐｇを算出する（Ｓ１０）。

次にＥＣＵ６０は、算出された発電電力Ｐｇによって、図４の発電電力‐温度マップを参照することにより、排気ガス温度Ｔｇを算出する（Ｓ２０）。

次にＥＣＵ６０は、算出された排気ガス温度Ｔｇによって、図５の温度‐ＰＭ排出量マップを参照することにより、推定ＰＭ排出量Ｍを算出する（Ｓ３０）。

次にＥＣＵ６０は、算出された推定ＰＭ排出量Ｍによって、図６のＰＭ排出量‐必要オゾン量マップを参照することにより、必要オゾン量を算出する（Ｓ４０）。

次にＥＣＵ６０は、算出された必要オゾン量によって、図７の必要オゾン量‐投入電力マップを参照することにより、オゾン発生電源への投入電力Ｐｉを算出する（Ｓ５０）。

次にＥＣＵ６０は、ステップＳ２０で算出された排気ガス温度Ｔｇが、高温しきい値Ｔｔｈ２を上回っているかを判定する（Ｓ６０）。この高温しきい値Ｔｔｈ２は、これを排気ガス温度Ｔｇが上回る場合にＰＭを有利に酸化でき且つオゾンが分解され無駄になり易いような温度に予め実験的に定められ、ＥＣＵ６０のＲＯＭに格納されている。なお、この高温しきい値Ｔｔｈ２は、発電電力Ｐｇが投入電力Ｐｉに対し十分大きくなるような温度に定めることができる。

ステップＳ６０で否定の場合（すなわち排気ガス温度Ｔｇが高温でない場合）、次にＥＣＵ６０は、ステップＳ２０で算出された排気ガス温度Ｔｇが、低温しきい値Ｔｔｈ１を下回っているかを判定する（Ｓ７０）。この低温しきい値Ｔｔｈ１は、これを排気ガス温度Ｔｇが下回る場合には排熱回収器３による発電が十分に行われないような温度に予め実験的に定められ、ＥＣＵ６０のＲＯＭに格納されている。なお、この低温しきい値Ｔｔｈ１は、発電電力Ｐｇが投入電力Ｐｉに対し十分小さくなるような温度に定めることができる。

ステップＳ７０で肯定の場合（すなわち排気ガス温度Ｔｇが低温である場合）には、ＥＣＵ６０はリレー回路４０に対し制御出力を行い、リレーＲＹ１およびＲＹ３をオン、且つＲＹ２をオフさせ、バッテリ５０をオゾン発生器２０に接続させる（Ｓ９０）。また、ＥＣＵ６０はＤＣ‐ＤＣコンバータ３０に対し制御出力を行い、その発生電力ＰｉをステップＳ５０で算出した値に制御する（Ｓ１１０）。その結果、バッテリ５０からの給電によってオゾン発生器２０が駆動されることになる。

ステップＳ７０で否定の場合（すなわち排気ガス温度Ｔｇが高温でも低温でもない場合）には、ＥＣＵ６０はリレー回路４０に対し制御出力を行い、リレーＲＹ１をオン、且つＲＹ２およびＲＹ３をオフさせ、排熱回収器３をオゾン発生器２０に接続させる（Ｓ８０）。また、ＥＣＵ６０はＤＣ‐ＤＣコンバータ３０に対し制御出力を行い、その発生電力ＰｉをステップＳ５０で算出した値に制御する（Ｓ１１０）。その結果、排熱回収器３からの給電によってオゾン発生器２０が駆動されることになる。

他方、ステップＳ６０で肯定の場合（すなわち排気ガス温度Ｔｇが高温である場合）には、ＥＣＵ６０はリレー回路４０に対し制御出力を行い、リレーＲＹ１およびＲＹ２をオン、且つＲＹ３をオフさせ、排熱回収器３をバッテリ５０に接続させる（Ｓ１００）。その結果、排熱回収器３からの給電によって、バッテリ５０が充電されることになる。

以上のとおり、本実施形態では、排熱回収器３（熱電変換装置）の発電量に基づいて排気ガスの温度を推定するので、排気温度を考慮してプラズマリアクタを制御するにあたり、専用の温度センサを用いないシステムを提供することができる。

また本実施形態では、排熱回収器３からの電力を充電可能なバッテリ５０（蓄電装置）を更に備え、ＥＣＵ６０は、推定された排気ガス温度Ｔｇが所定の低温しきい値Ｔｔｈ１を下回った場合に、バッテリ５０の電力によってオゾン発生器２０を動作させ、温度Ｔｇが低温しきい値Ｔｔｈ１以上の場合に、排熱回収器３からの電力によってオゾン発生器２０を動作させるので、オゾン発生器２０の使用に伴う著しい電力消費を、排気エネルギの有効利用により抑制できる。とくに、エンジンが活発に運転されオゾン発生器２０の動作の必要性が高いときには、他方では多くの排気エネルギを利用できると考えられるため、排気エネルギをオゾン発生器２０の動力源として利用するのは合理的である。

また本実施形態では、ＥＣＵ６０は更に、排気ガスの温度が低温しきい値Ｔｔｈ１よりも高い所定の高温しきい値Ｔｔｈ２を上回った場合に、オゾン発生器２０の動作を抑制すると共に、排熱回収器３からの電力をバッテリ５０に供給させるので、ＰＭを有利に酸化できると共にオゾンが分解され無駄になり易い高温時に、排気ガスの熱エネルギを電力として有効に回収することができる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記実施形態の構成において、バッテリ５０（蓄電装置）の充電状態を検出するＳＯＣセンサ６３の出力を利用し、ＥＣＵ６０は、排気ガスの温度Ｔｇが高温しきい値Ｔｔｈ２を上回った場合であっても、充電状態（ＳＯＣ）が所定の満充電しきい値を上回った場合には、排熱回収器３からの電力をバッテリ５０に供給させないこととしてもよい。具体的には、図８の処理ルーチンにおいて、ステップＳ６０で肯定の場合に、ＳＯＣセンサ６３の検出するＳＯＣ値が満充電しきい値を上回るかをＥＣＵ６０が判定し、肯定の場合にステップＳ１００をスキップすることにより、この動作を容易に実現することができる。このような処理によれば、過充電による弊害、例えばバッテリ５０の劣化を効果的に抑制することができる。

また上記実施形態では、オゾン発生器２０として円筒形の外周電極２２と、棒状の中心電極２３とを主部材としたものを用いたが、本発明におけるオゾン発生装置としては平板状の電極を互いに平行に配置したもの等、従来公知の各種の構造のものを採用できる。さらに、上記実施形態はディーゼルエンジン車に本発明を適用したが、本発明は他の形式の内燃機関を有する車両やハイブリッド車にも適用でき、いずれ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気ガス浄化システムの概略を示すブロック図である。排熱回収器の要部を示す正面図である。熱電変換素子の構造を示す正面図である。発電電力‐温度マップの設定例を示すグラフである。温度‐ＰＭ排出量マップの設定例を示すグラフである。ＰＭ排出量‐必要オゾン量マップの設定例を示すグラフである。必要オゾン量‐投入電力マップの設定例を示すグラフである。本発明の実施形態における熱電変換装置による発電電力の流れ制御に係る処理を示すフロー図である。

符号の説明

１排気ガス浄化システム
２排気管
３排熱回収器
１０冷却パイプ
１２熱電ユニット
２０オゾン発生器
２４ポンプ
３０ＤＣ‐ＤＣコンバータ
４０リレー回路
５０バッテリ
ＲＹ１，ＲＹ２，ＲＹ３リレー

Claims

内燃機関の排気ガスの熱エネルギを電力に変換する熱電変換装置と、前記内燃機関の排気通路に設置され排気ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集装置と、電力の作用によってオゾンを発生させ前記粒子状物質捕集装置に供給可能なオゾン発生装置と、前記排気ガスの温度に応じて前記オゾン発生装置を制御する制御手段と、を備えた排気ガス浄化システムであって、
前記熱電変換装置の発電量に基づいて前記温度を推定する温度推定手段を更に備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
請求項１に記載の排気ガス浄化システムであって、
前記熱電変換装置からの電力を充電可能な蓄電装置を更に備え、
前記制御手段は、前記温度が所定の低温しきい値を下回った場合に、前記蓄電装置の電力によって前記オゾン発生装置を動作させ、前記温度が前記低温しきい値以上の場合に、前記熱電変換装置からの電力によって前記オゾン発生装置を動作させることを特徴とする排気ガス浄化システム。
請求項２に記載の排気ガス浄化システムであって、
前記制御手段は、前記温度が前記低温しきい値よりも高い所定の高温しきい値を上回った場合に、前記オゾン発生装置の動作を抑制すると共に、前記熱電変換装置からの電力を前記蓄電装置に供給させることを特徴とする排気ガス浄化システム。
請求項３に記載の排気ガス浄化システムであって、
前記蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記温度が前記高温しきい値を上回った場合であっても、前記充電状態が所定の満充電しきい値を上回った場合には、前記熱電変換装置からの電力を前記蓄電装置に供給させないことを特徴とする排気ガス浄化システム。