JP2010209854A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、精度よく所望量のオゾンを供給することができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】放電反応器２６のオゾン生成の原料となるエア（原料エア）の状態（具体的には、流量V_real、温度T_air、圧力P_air、湿度H_air）を取得する。取得した原料エア状態に基づいて、放電反応器２６の特性に応じて、放電反応器２６の作動電圧を補正する。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

従来、例えば、特開２００９−２２４０号公報に開示されているように、オゾンを利用する内燃機関の排気ガス浄化装置が知られている。この排気ガス浄化装置は、排気ガス温度が所定温度（３５０℃）以下のとき、排気ガスにオゾンを添加する。

特開２００９−２２４０号公報

排気ガスの流量やエミッションの量は、内燃機関の運転条件に応じて変化する。排気ガスにオゾンを添加する場合、排気ガスの流量やエミッションの量に応じて好適なオゾン量も異なる。従って、オゾン供給量を精度よくコントロールできることが好ましい。ところで、空気を取り込んで、この空気からオゾンを生成するオゾン生成器が公知である。このようなオゾン生成器の場合、取り込まれた空気の状態（具体的には、温度、圧力、湿度や、空気取り込み時の流量）が、オゾンの生成量に影響を及ぼす。この影響を受けて、オゾン供給量が多くなりすぎたり逆に少なくなりすぎたりするおそれがある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、精度よく所望量のオゾンを供給することができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
内燃機関の排気通路と接続され、電圧を受けて空気からオゾンを生成する放電反応器と、
前記放電反応器を作動させるための作動電圧を発生させる電圧発生器と、
前記放電反応器におけるオゾン生成量の目標量を取得する取得手段と、
前記目標量に基づいて、前記電圧発生器の目標作動電圧を算出する算出手段と、
前記放電反応器に供給される空気の状態を検知する検知手段と、
前記空気状態検知手段が検知した前記状態に基づいて、前記目標作動電圧を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、オゾン生成の原料となる空気の状態に基づいて、放電反応器の作動電圧を補正することができる。これにより、空気からオゾンを生成する場合に、精度よく所望量のオゾンを供給することができる。

本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 実施の形態１でＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 放電反応器の作動電圧と生成オゾン濃度との関係を取得することにより作成したマップの一例である。 実施の形態１における、エアのガス流量と生成オゾン濃度との関係を示す図である。 実施の形態１における、エアのガス温度と生成オゾン濃度との関係を示す図である。 実施の形態１における、エアの圧力と生成オゾン濃度との関係を示す図である。 実施の形態１における、エアの湿度と生成オゾン濃度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に関し、放電反応器における放電作動電圧と生成オゾン濃度との関係を示す図である。 実施の形態２にかかる、図８の領域Ａにおける放電反応器への電圧印加手法を説明する図である。 実施の形態２にかかる、図８の領域Ｂにおける放電反応器への電圧印加手法を説明する図である。 実施の形態３に関し、図１における放電反応器２６の付近のみを示した図である。 実施の形態３にかかるオゾン生成器の停止タイミングフローである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の内燃機関の排気ガス浄化装置の構成を示す。本実施形態の排気ガス浄化装置は、車両等の移動体に好適である。車両等では、走行条件、運転条件に応じて、排気ガスの流量やエミッションの量が刻々と変化するからである。内燃機関１０は、排気管１２を介して、排気触媒１４に連通している。排気触媒１４は、ＤＰＦ（diesel particulate filter）でもよい。排気管１２における排気触媒１４の上流には、管路２８が接続している。管路２８は、放電反応器２６、エアポンプ２４、流量計２２、エアクリーナ２０に順次接続している。エアクリーナ２０を介して空気が取り込まれ、放電反応器２６でオゾンが生成される。なお、図示しないが、排気管１２には排気温センサが設けられている。また、図示しないが、管路２８と排気管１２との接続部分には、オゾン供給のオン・オフを切り換えるための弁（例えば噴射弁）が備えられる。

放電反応器２６は、ナノパルス発生器３２に接続する。ナノパルス発生器３２は、可変昇圧器３０と接続する。可変昇圧器３０は、元電圧を昇圧して、ナノパルス発生器３２に供給することができる。ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０からの制御信号に従って、可変昇圧器３０、エアポンプ２４、ナノパルス発生器３２が制御される。また、実エア量検出部３６は流量計２２の示す値に基づいて実エア量V_real（cc/sec）を取得し、フィードバック部３４はこのV_realをＥＣＵ５０のエアポンプ２４の制御内容にフィードバックする。図示しないが、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０に取り付けられた各種センサ等とも接続し、エンジン回転数や燃料噴射等の各種運転条件の現在の値を取得することができる。

実施の形態１の排気ガス浄化装置は、放電反応器２６のオゾン生成の原料となるエア（原料エア）の状態（具体的には、流量V_real、温度T_air、圧力P_air、湿度H_air）を取得するための構成を備えている。原料エアの流量V_realは、既述したように、流量計２２を用いて実エア量検出部３６により算出される。原料エアの温度、圧力、湿度についても、各種計器・物理量センサ（図示略）を使用して検出すればよい。

［実施の形態１の制御動作および具体的処理］
下記に、実施の形態１の排気ガス浄化装置の動作を具体的処理の例とともに説明する。以下、図２乃至図７を用いて説明を行う。図２は、実施の形態１でＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図３は、放電反応器２６の作動電圧と生成オゾン濃度との関係を取得することにより作成したマップの一例である。図３は、エア流量、温度、圧力および湿度を一定とし且つ電源周波数およびパルス幅を一定とした条件で作成されたものである。

また、図４は、放電反応器２６における、エアのガス流量と生成オゾン濃度との関係を示す図である。図５は、放電反応器２６における、エアのガス温度と生成オゾン濃度との関係を示す図である。図６は、放電反応器２６における、エアの圧力と生成オゾン濃度との関係を示す図である。図７は、放電反応器２６における、エアの湿度と生成オゾン濃度との関係を示す図である。図４乃至図７では、それぞれ、エアのガス流量、温度、圧力および湿度、並びに、電源周波数、パルス幅および電圧のうち何れか１つの条件を変化させ且つ他の条件を一定としている（つまり図４であればエア流量を変化させ残りを一定）。実施の形態１の具体的処理では、図４乃至図７の傾向に応じて、放電反応器２６の作動電圧が補正される。

図２のルーチンでは、先ず、排出ＮＯｘ濃度C_nox（ppm）が算出される（ステップＳ１００）。排出ＮＯｘ濃度C_nox（ppm）は、予めＥＣＵ５０に記憶されたエンジン回転数、燃料噴射マップに従って算出される。ここで、ＮＯｘは、ＮＯとＮＯ_２の双方を含む。

次いで、排出ＮＯｘ量M_nox（g/sec）が算出される（ステップＳ１０２）。M_noxは、下記の式で算出できる。
M_nox = M_no + M_no2
M_no = C_no * G_exh
M_no2 = C_no2 * G_exh
ここで、C_no、C_no2は濃度（ppm）、G_exhは排気ガス量（L/sec）である。なお、ＮＯｘ量算出技術は各種公知技術を利用すれば良いため、これ以上の説明は省略する。

次いで、必要オゾン（O₃）量M_o3（g/sec）が算出される（ステップＳ１０４）。M_o3は、下記の式で算出できる。
M_o3 = (2*M_no/28 + M_no2/46) * 48

次に、現在、エアポンプ２４の作動前であるか否かが判定される（ステップＳ１０６）。エアポンプ２４の作動前である場合には、放電反応器のベース電圧を決定する処理が実行される。先ず、下記の式に従って、必要オゾン濃度C_{o3_0}が算出される（ステップＳ１０８）。
C_{o3_0} = M_o3/V₀ * 224000/48 （ppm）
さらに、図３に示した放電反応器２６の生成濃度と電圧マップとの関係から、必要電圧E_o（V）が算出される（ステップＳ１１０）。次いで、エアポンプ２４および放電反応器２６が作動される（ステップＳ１１２）。このとき、エアポンプ２４の流量はV₀にフィードバック制御され、放電反応器２６の作動電圧は上記のE_oである。

ステップＳ１０６の条件が否定された場合、または、ステップＳ１１２の実行後には、続いて、実エア流量で補正した電圧（以下E_real（V）とも称す）を算出するための処理が実行される（ステップＳ１１４〜Ｓ１１８）。先ず、ステップＳ１１４で実エア量V_realの検出が行われる。次いで、下記の式に従って、必要オゾン濃度C_o3realが算出される。
C_o3real = M_o3 ／ V_real * 224000/48 （ppm）
次いで、図３に示した放電反応器２６の生成濃度と電圧マップとの関係から、実エア流量が反映された後の必要電圧（E_real）が取得される。

続いて、放電反応器２６の特性に応じて電圧を最終補正する処理が実行される（ステップＳ１２０、Ｓ１２２およびＳ１２４）。先ず、ステップＳ１２０において、実エア量V_real、温度T_air、圧力P_air、湿度H_airの検出がなされる。次いで、下記の式に従って、最終作動電圧E_endが算出される。
E_end = E_real * F(V_real) * F(T_air) * F(P_air) * F(H_air)
ここで、F(V_real)、F(T_air)、F(P_air)、F(H_air)は予め定めた補正係数である。各々の補正係数は、図４乃至７の傾向に応じて定めることができる。例えば、ガス流量（V_real）が基準値（V₀）よりも大きい場合には、生成オゾン濃度が低下する。そこで、この生成オゾン濃度低下を補うように、F(V_real)の補正係数によりE_real電圧を高めに補正することが考えられる。他の補正係数も同様に補正に用いて、最終差動電圧E_endを算出することができる。その後、放電反応器２６の作動電圧が上記のE_endに補正され、今回の処理が終了する。

以上の制御によれば、実際のエアの流量、温度、圧力および湿度に基づいて、放電反応器２６の作動電圧を補正することができる。その結果、所望のオゾン量を精度良く供給することができる。

尚、上述した実施の形態１では、放電反応器２６が、前記第１の発明における「放電反応器」に、ナノパルス発生器３２が、前記第１の発明における「電圧発生器」に、それぞれ相当している。また、実施の形態１では、図２のルーチンのステップＳ１０４の処理の実行により、前記第１の発明における「取得手段」が、ステップＳ１１８の処理の実行により、前記第１の発明における「算出手段」が、ステップＳ１２０の処理の実行により、前記第１の発明における「検知手段」が、ステップＳ１２２およびＳ１２４の処理の実行により、前記第１の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
実施の形態２の排気ガス浄化装置は、実施の形態１の構成と同様のハードウェア構成を備える。以下、重複を避けるために、適宜に説明を省略ないしは簡略化する。放電反応器における放電作動電圧と生成オゾン濃度との関係は、図８に示すように、作動電圧の増加に応じて生成オゾン濃度が順調に増加する領域Ａと、放電作動電圧によらず生成オゾン濃度が低い領域Ｂとが、所定の電圧を境にステップ的に切替わる。図８には、この所定の電圧を、最低電圧E_{o_min}と記している。また、最低電圧E_{o_min}のときの生成オゾン濃度をC_o3min(ppm)とも称す。放電作動電圧−生成オゾン濃度の特性が領域Ａ、Ｂを含むため、C_o3min未満濃度でのオゾン生成が困難である。

そこで、実施の形態２では、以下述べるように領域Ａと領域Ｂとで異なる電圧印加手法を採用する。図９は、実施の形態２にかかる、図８の領域Ａにおける放電反応器２６への電圧印加手法を説明する図である。実施の形態２では、領域Ａにおいては（つまり、最低電圧E_{o_min}以上の作動電圧域では）、電圧の大きさを増減することによりオゾン濃度を増減する。領域Ａでは、電圧パルスの周期、つまりナノパルス発生器３２のパルス生成周期は、一定とする。領域Ａでは、下記の式が成立する。
M_o3 = V_real * C_o3
必要オゾン量 : M_o3
エア流量＝オゾンガス流量 : V_real （L/m）
生成オゾン濃度 : C_o3

これに対し、図１０は、実施の形態２にかかる、図８の領域Ｂにおける放電反応器２６への電圧印加手法を説明する図である。実施の形態２では、領域Ｂにおいては（つまり、最低電圧E_{o_min}未満の作動電圧域では）、オゾン濃度増減の際に、電圧の大きさは同じとしパルス数を変更する。つまり、例えばオゾン濃度をC_o3minの半分（1/2）に減らす際に、図１０に示すように、放電反応器２６の作動電圧は最低電圧E_{o_min}に固定し、且つ、周波数を小さくするのではなく同一周波数、パルス幅でパルス数を半分に減らす。これにより、印加される作動電圧が実質的に半分（t₁/T₁ = 1/2）となり、1/2のオゾン濃度を実現できる。これにより、領域Ｂでも所望のオゾン生成濃度を実現することができる。つまり、領域Ｂでは下記の式が成立する。
M_o3 = V_real * C_o3min * 放電制御時間（C_o3/C_o3min）
放電制御時間の長さは、実現したい生成オゾン濃度がC_o3minに対して何％であるかに応じて適宜に決定すればよい。

なお、仮に印加周波数を制御して生成オゾン濃度を調節しようとすると、放電反応器のインピーダンスの関係からエネルギ効率が大幅に低下するおそれがある。この点、実施の形態２によれば、エネルギ効率の大幅な低下を避けつつ、低濃度オゾン生成を精度よく行うことができる。なお、実施の形態２を実施の形態１にかかる放電反応器２６の作動電圧補正と組み合わせても良いし、実施の形態２の領域Ｂにおける作動電圧印加手法のみを単独で排気ガス浄化装置に搭載しても良い。

実施の形態３．
実施の形態３の排気ガス浄化装置は、実施の形態１の構成と同様のハードウェア構成を備える。以下、重複を避けるために、適宜に説明を省略ないしは簡略化する。実施の形態３の排気ガス浄化装置は、オゾン供給終了時に、オゾン供給のためのオゾン供給系内に残ったオゾンをパージする点に特徴を有している。

図１１は、実施の形態３に関し、図１の放電反応器２６の付近のみを示した図である。仮に、管路２８を含むオゾン供給ライン系にオゾンが長期間残存すると、ライン系の腐食進行原因になる。そこで、実施の形態３では、図１２に示すように、オゾン供給終了時に、放電反応器２６の停止後、遅延時間T_delayを置いてからエアポンプ２４を停止する。図１２は、実施の形態３にかかるオゾン生成器の停止タイミングフローである。T_delayは、下記の式に従って算出される。
T_delay = V／F （sec）
放電反応器２６から管路２８終端までのオゾン残存部容積 : V（cc）
エアポンプ２４の流量： F（cc/sec）
これにより、オゾン残存部容積分だけ、エアポンプ２４を運転させることができる。その結果、オゾンのパージのために、過不足無くエアポンプ２４を運転させることができる。

なお、変形例として、上記のような遅延時間T_delayの計算を行わずに、単に、エアポンプ２４の停止タイミングを放電反応器２６の停止タイミングより遅くしても良い。言い換えれば、オゾン供給終了後にしばらくエアポンプ２４のみを作動させてもよい。以上により、オゾン供給終了時に、オゾン供給のためのオゾン供給系内に残ったオゾンをパージすることができる。なお、このパージにより、生成したオゾンが残らず排気通路内に供給されるので、生成オゾンを無駄なく使い切ることができる。その結果、無駄なオゾン生成エネルギを減らせる。

１０ 内燃機関
１２ 排気管
１４ 排気触媒
２０ エアクリーナ
２２ 流量計
２４ エアポンプ
２６ 放電反応器
２８ 管路
３０ 可変昇圧器
３２ ナノパルス発生器
３４ フィードバック部
３６ 実エア量検出部
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路と接続され、電圧を受けて空気からオゾンを生成する放電反応器と、
   前記放電反応器を作動させるための作動電圧を発生させる電圧発生器と、
   前記放電反応器におけるオゾン生成量の目標量を取得する取得手段と、
   前記目標量に基づいて、前記電圧発生器の目標作動電圧を算出する算出手段と、
   前記放電反応器に供給される空気の状態を検知する検知手段と、
   前記空気状態検知手段が検知した前記状態に基づいて、前記目標作動電圧を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。

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