JP2009167997A - 内燃機関の排気ガス再循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく活性種を発生させて、燃焼の安定化を図ることができる排気ガス再循環装置を提供する。
【解決手段】排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環通路を備えてなる内燃機関の排気ガス再循環装置において、電極間に気体が通過し得るようにして電極間にプラズマを発生させるプラズマ反応器を、排気ガス再循環通路と吸気系との接続箇所又は接続箇所よりも下流側の吸気系に設けてなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス再循環装置に関し、特にプラズマ反応器を備えるものに関するものである。

従来、排気ガス再循環装置は、例えば特許文献１に記載のもののように、排気マニホルドから排気ガスの一部を抜き出して吸気管へ再循環するＥＧＲパイプを備え、再循環する排気ガスの量を制御してＮＯｘの排出量を低減させるものである。この特許文献１に記載の排気ガス再循環装置では、ＥＧＲパイプに、排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設けて、排気ガス中での未燃燃料の酸化反応を排気ガス励起成分により促進し、未燃燃料をＣＯ₂とＨ₂Ｏとに酸化処理して、排気ガスの浄化を図っている。

このように、排気系においてＮＯｘの排出量を制御するものに対して、排気ガスを浄化し得るように、吸気系、具体的にはエアクリーナにおいてマイナスイオンを吸気に導入するものが、例えば特許文献２に記載のもので知られている。
特開２００４―３４００４８号公報 特開２００４―２２５６７７号公報

ところで、プラズマ発生装置においては、プラズマによりラジカルを含む活性種を発生させることができる。特許文献１のものでは、発生した活性種を利用して、未燃燃料を活性により無害な安定なＣＯ₂とＨ₂Ｏにすることにより、排気ガスを浄化するものであるが、再循環する排気ガス中にそれらの成分が吸入空気に混入することにより、燃焼効率が低下することがある。また、排気ガス規制がより強化されるにつれ、低負荷運転領域やアイドリング運転領域においても多量の排気ガスを再循環させる必要があり、このような場合には燃焼温度の低下に起因して失火が発生することがある。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の排気ガス再循環装置は、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環通路を備えてなる内燃機関の排気ガス再循環装置において、電極間に気体が通過し得るようにして電極間にプラズマを発生させるプラズマ反応器を、排気ガス再循環通路と吸気系との接続箇所又は接続箇所よりも下流側の吸気系に設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、プラズマ反応器が排気ガス再循環通路からの排気ガスと吸気系からの新気とが混在する位置に配置されるので、排気ガスと新気とがプラズマ化され、その両者から活性種を生成する。このため、新気中の酸素分子からオゾン等の活性酸素、排気ガス中の水分からヒドロキシラジカルといった活性種が生成でき、これらの活性種が内燃機関の燃焼室に吸気行程において流入することにより、燃焼を安定化・高効率化させる。すなわち、燃焼室内における燃焼は、ラジカル反応の一つであるため、プラズマ反応器において発生したラジカルを含む活性種が、再循環された排気ガス及び新規な空気と共に燃焼室に流入することにより、燃焼を安定させ、その効率を向上させるものである。そして燃焼効率が向上することにより、排気ガスを浄化することが可能になる。

本発明を適用する内燃機関としては、排気ガス再循環通路を介して排気ガスの一部を吸入空気に導入させることにより低温燃焼運転を行うディーゼルエンジンが好ましい。

このような構成によれば、失火の恐れがある低温燃焼運転領域すなわち低負荷運転領域で、かつ多量の排気ガスを再循環する運転領域においても、安定した燃焼が可能になり燃焼効率を向上させることができる。

本発明は、以上説明したような構成であり、プラズマ反応器において発生したラジカルを含む活性種が、再循環された排気ガス及び新規な空気と共に燃焼室に流入することにより、燃焼効率を向上させることができると共に、排気ガスを浄化することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

以下に説明する実施形態は、内燃機関である四気筒のディーゼルエンジン１に適用される排気ガス再循環装置２である。このディーゼルエンジン１は、図１に示すように、吸入空気を圧縮するコンプレッサ３と排気ガスが導入されることによって回転してコンプレッサ３を駆動するタービン４とを備える排気ターボ過給機５、及びコンプレッサ３の下流に設けられてコンプレッサ３から出力される過給空気を冷却するインタークーラ６を備えるものである。

排気ガス再循環装置２は、排気系である排気マニホルド７に連通するとともに吸気系８を構成する吸気管路８ａに連通する排気ガス再循環通路９と、排気ガス再循環通路９に設けられて再循環される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと略称する）の量を制御するＥＧＲバルブ１０と、排気ガス再循環通路９からのＥＧＲガスと吸気系８からの新気との両方にプラズマが反応し得る吸気系８の位置に設けられるプラズマ反応器１２と、プラズマ反応器１２にプラズマ発生用の電力を供給するパルス電源１３とを備えている。

排気ガス再循環通路９は、その一端（上流側端部）がタービン４に接続される排気マニホルド７に接続され、他方端（下流側端部）はプラズマ反応器１２より上流において吸気管路８ａに接続される。この排気ガス再循環通路９には、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じてＥＧＲガス量を制御するために、ＥＧＲバルブ１０が設けてある。このＥＧＲバルブ１０は、ディーゼルエンジン１の運転を制御する、図示しない電子制御装置によりその開閉が制御される。

プラズマ反応器１２は、ＥＧＲガスと新気つまり過給空気とが混合される位置となる、排気ガス再循環通路９が吸気管路８ａに接続される接続部１１より下流の吸気管路８ｂに設けられる。プラズマ反応器１２は、図２に示すように、誘電体１４と、誘電体１４を挟んで配置される対をなす電極１５と、誘電体１４と電極１５とを収納するハウジング１６とを備えている。ハウジング１６は、ＥＧＲガスと新気とを導入する入口１６ａと、プラズマにより生成された活性種を含有する活性化ガスを排出する出口１６ｂとを備えている。ハウジング１６は、一枚の平板状の誘電体１４とその誘電体１４を挟むように配置される一対の電極１５とからなる電極対を、複数例えば２４対収納するのに十分な容積を有するものである。

電極１５は、例えばステンレス鋼製の線材を編んで形成した網状材である金属製網をほぼ三角波状に折り曲げて形成してある。すなわち、電極１５を構成する金属製網は、所定の太さの線材を縦横に走らせて編むことにより形成される多数の貫通孔（網目）を有するものである。この場合、線材を編むとは、布などと同様に、複数の縦の線材を、間隔をあけて整列しておき、その縦の線材の間に横の線材を交わるようにして通すことや、縦の線材と横の線材との交点を溶接や接着剤などで固定して網目を形成することを含むものである。網目の形状は、正方形、長方形、菱形などであってよく、縦の線材と横の線材以外の線材を加えることで、多角形にするものであってもよい。このような金属製網を、一方の方向例えば金属製網つまり電極１５の長手方向に向かって、山折りと谷折りとがほぼ等間隔で繰り返すように折り曲げて、ほぼ三角波状の形状に形成するものである。

このように、金属製網をほぼ三角波状にほぼ等間隔で折り曲げることにより、金属製網の長手方向に向かって、所定の高さで金属製網の部分が連続して傾斜して立ち上がるものである。この傾斜して立ち上がる部分は、ＥＧＲガス中に含まれるＰＭ（粒子状物質）を捕集する捕集部１５ａとして機能するものである。すなわち、これらの捕集部１５ａは、金属製網の部分であるので、長手方向の線材と幅方向の線材とにより形成された貫通孔が、多数存在するものである。これらの貫通孔は、ＥＧＲガス内に存在するＰＭを物理的・静電的に捕捉できる大きさに形成されている。

このような形状に形成された電極１５は、平板形状の誘電体１４の背向する両面に配置される。上述したように、一枚の誘電体１４を中心にして配置される二枚の電極１５とで構成される電極対を積層してハウジング１６内に収納するものである。この場合に、それぞれの電極１５は、波形状が連続する方向つまり金属製網の長手方向を、ハウジング１６の入口１６ａと出口１６ｂとを結ぶ方向、つまりＥＧＲガスと新気との流れ方向（図２において白抜き矢印により示す）に一致させて配置する。この配置は、電極１５の捕集部１５ａの連続する方向が、気体の流れ方向に一致させるものである。したがって、気体の流れ方向には、電極１５を構成する金属製網の網目、つまり貫通孔が整列するものとなり、貫通孔以外による気体の流路は形成されていない。

パルス電源１３は、誘電体１４を挟んで配置される電極１５に、例えば８ｋＶ、周波数２００Ｈｚの電圧を印加するものである。具体的には、一方の電極１５に高電圧を印加して、他方をアースと接続する。積層された電極１５は、誘電体１４を挟んで交互に陰極と陽極となるように、パルス電源１３に接続される。

以上の構成において、ディーゼルエンジン１を、ＥＧＲバルブ１０を開いて排気ガスの一部を吸気系８に再循環して運転する。排気ガスを再循環させて運転する場合、ＥＧＲガス量が多くなると、燃焼温度が低下してＮＯｘの排出量が少なくなることが知られている。このような低温燃焼運転を行う場合に、パルス電源１３によりプラズマ反応器１２の各電極１５間に上述した電圧を印加して、ハウジング１６内にプラズマを発生させる。すなわち、プラズマ反応器１２において、電極１５間に電圧を印加すると、電極１５間及びそれぞれの電極１５の貫通孔内にプラズマが発生する。電圧の印加により、電極１５の捕集部１５ａの上端及び下端、つまり三角波形状の山折り部及び谷折り部それぞれの折り線部分に、電荷が集中することになる。そして、電荷の集中した部分から電子がハウジング１６内を通過する気体中に放出されて、効率よくプラズマが生成される。このようにして、気体中に電子等が放出され、その気体自体が様々な活性種を含むプラズマとなるものである。なお、プラズマが発生することにより電極１５の周辺が発光した際のプラズマ発光輝度は、一般的に、印加する最大電圧（ＭＡＸ電圧）にほぼ比例するものであり、電圧が高くなるほど輝度も高くなる。この実施形態にあっては、具体的には、例えば８ｋＶ、周波数２００Ｈｚの電圧を印加することで、電極１５のほぼ全域に対してほぼ均一にプラズマが発生することが確認された。

この実施形態のプラズマ反応器１２は、上述したように金属製網を波板形状にしてあるので、その網目内をＥＧＲガスと過給空気とが通過する際に金属製網に衝突したりすることにより、両者が効果的に混合される。そして混合されたＥＧＲガスと過給空気とにプラズマによる電子等が衝突するので、それらを効率よく活性化させることができる。

プラズマ反応器１２に流入するＥＧＲガスに含まれるＰＭは、電極１５の捕集部１５ａに捕集され、活性種と反応してＣＯ₂となるとともにＥＧＲガス中の水分が分解されて水素とヒドロキシラジカルとに分解される。また、新気つまり過給空気の中の酸素から、オゾンが生成される。活性種としては、酸素原子、酸素イオン、酸素ラジカル、オゾン、ヒドロキシラジカルなどが挙げられる。以下に反応式を示す。

２（Ｈ₂Ｏ）→Ｈ₂＋２ＯＨ
２Ｏ₂→Ｏ＋Ｏ₃
そしてプラズマ反応器１２において生成された活性種は、吸気系８を構成する吸気マニホルド８ｃを介して各気筒の燃焼室１ａに流入する。プラズマ反応器１２は、排気ガス再循環通路９が吸気管路８ａに接続される接続部１１より下流、つまり燃焼室１ａに近い位置に配置されているので、プラズマ反応器１２内で生成された活性種は、反応して安定な形態となるまでに燃焼室１ａに到達するものである。多量のＥＧＲガスを導入して燃焼温度を下げた場合、特に、低負荷運転領域やアイドリング運転領域では、ＥＧＲガス中に含まれる熱容量の大きいＣＯ₂ガスと蒸発熱の大きな二相状態のＨ₂Ｏとの弊害として着火が不安定になったり、着火しても安定な燃焼状態にまで至らない等の問題が生じる。しかしながら、新気の中にＥＧＲガスを導入した吸入空気に対するプラズマ照射により、ＥＧＲガスに含まれるＨ₂Ｏをラジカル状態に分解し、多量のＥＧＲガスの導入による失火を極力少なくすることができる。同時に、新気中のＨ₂Ｏ（水蒸気）へのプラズマ照射がなされることにより、新気とＥＧＲガスとの両方が乾きガスとなるため、多量のＥＧＲガスを導入することにより発生する前述の問題を防止しつつ、燃焼状態を安定化し、しかも多量のＥＧＲガスの導入によるＮＯｘ低減等の効果も最大限発揮することができる。なお、二相状態のＨ₂Ｏとは、加熱蒸気（ガス）でないことを意味するものであり、液体を含むものであってもよい。

また、ＥＧＲガスを導入した吸入空気へのプラズマ照射を、失火等に至ると確認される低負荷運転領域以下の領域に限定的に行うことにより、消費電力の抑制と失火の防止との両立を図ることもできる。

つまり、燃焼工程において燃焼室１ａに流入する、ＥＧＲガスと圧縮された新気との混合気体、すなわち活性化ガスは、プラズマ反応器を備えていない場合に比較して、豊富な活性種を含むことにより、それらの活性種によって燃焼を安定化させることができると共に、低負荷で、かつ多量にＥＧＲガスを導入する運転領域においての失火をも防止することができるものである。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

内燃機関としては、上述したディーゼルエンジン１以外に、通常のガソリンエンジンであってよい。また、このような内燃機関は、４気筒のものに限定されるものではない。加えて、ターボ過給機を備えない内燃機関やスーパーチャージャを備える内燃機関であってもよい。

上述の実施形態においては、プラズマ反応器１２を、過給空気とＥＧＲガスとが混合した後流れ込む、接続部１１より下流の吸気管路８ｂに設置したが、設置限界となる接続部１１に設置するものであってもよい。すなわち、プラズマ反応器１２の設置位置は、ＥＧＲガスと過給空気との両方にプラズマが作用する位置であればよく、ディーゼルエンジン１の吸気ポート１ｂに近ければ近いほどよい。したがって、吸気管路８ａと排気ガス再循環通路９とが接続され、過給空気とＥＧＲガスとが合流する接続部１１がその設置位置のディーゼルエンジン１から離れる側の位置の限界になる。プラズマ反応器１２の設置位置は、プラズマ反応器１２内部で生成した活性種を多量に含む活性化ガスを燃焼室１ａに流入させるために、ディーゼルエンジン１の吸気ポート１ｂひいては燃焼室１ａに近いほど好適である。このため、コスト効果も考慮すると現実的には、吸気マニホルド８ｃの枝管８ｄの集合部８ｅが最も燃焼室１ａに近い設置位置となる。

プラズマ反応器としては、上述のものに限定されるものではなく、電極形状、素材、誘電体との組み合わせなどは、当該分野でよく知られたものを使用することができる。図４に示すものは、新気とＥＧＲガスとの混合気体の流通効率がよい形状にした例で、円筒形状の誘電体１１４と、環状電極１１５ａ及び線状電極１１５ｂとを組み合わせたものである。すなわち、このプラズマ反応器１１２は、ハウジング１１６の中に環状電極１１５ａを、その中心と円筒形状に形成された誘電体１１４の中心とを同一の直線上に誘電体１１４を挟んで配置し、それらの環状電極１１５ａと対をなす線状電極１１５ｂを、環状電極１１５ａの中心に配置するものである。

このような構成であると、プラズマは、環状電極１１５ａと円形状の誘電体１１４とで形成されたその内部の空間１１２ａに発生する。そしてプラズマが発生したその内部の空間１１２ａを、過給空気とＥＧＲガスとが通過するようにハウジング１１６内に設置されるものである。したがってこのような電極構造のプラズマ反応器１１２にあっては、過給空気とＥＧＲガスとの流れに対して障害となるものがなく、活性種を含む吸入空気の吸気効率を改善するものである。このような形状のプラズマ反応器２１２であると、吸気マニホルド８ｃの枝管８ｄに設置することも容易である。

以上においては、プラズマ反応器１２を吸気側に設置し、燃焼の安定を図るとともに燃焼の安定により排気ガスの浄化を向上させる構成を説明したが、さらに排気ガスを浄化するためには、ターボ過給機５のタービン４から排出される排気ガスを、図１に想像線で示すプラズマ反応器２１２内を通過させるようにしてもよい。この場合のプラズマ反応器２１２は、円筒形状の電極を有するものより、上述の実施形態におけるものが好ましい。つまり、排気系に使用するプラズマ反応器は、排気ガスに含まれるＰＭを、プラズマが発生する領域において、減速させた状態で通過させるか、あるいはその領域に一時的にとどめられる構成のものがよい。そして、この排気側のプラズマ反応器２１２により、排気ガス中のＰＭを燃焼させて、ＣＯ₂とすることにより、ＰＭの排出量を低減するものである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態の全体構成を示す構成説明図。 同実施形態のプラズマ反応器の構成を示す構成説明図。 同実施形態のプラズマ反応器に用いる電極の斜視図。 本発明におけるプラズマ反応器の変形例を示す図２相当図。

符号の説明

１…内燃機関
３…排気ガス再循環装置
８…吸気系
９…排気ガス再循環通路
１２…プラズマ反応器
１５…電極

Claims (2)

1. 排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環通路を備えてなる内燃機関の排気ガス再循環装置において、
   電極間に気体が通過し得るようにして電極間にプラズマを発生させるプラズマ反応器を、排気ガス再循環通路と吸気系との接続箇所又は接続箇所よりも下流側の吸気系に設けてなる内燃機関の排気ガス再循環装置。
2. 内燃機関が、排気ガス再循環通路を介して排気ガスの一部を吸入空気に導入させることにより低温燃焼運転を行うディーゼルエンジンである請求項１記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。

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