JP2017014976A - プラズマリアクタの印加電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマリアクタの電極間に印加される電力を適切に制御できる、印加電力制御装置を提供する。
【解決手段】エキゾーストマニホールド５の下流側には、ＰＭ除去装置６が設けられている。エンジン２には、ＥＧＲシステム２１が付随して設けられている。ＥＧＲシステム２１は、ＥＧＲ通路２２およびＥＧＲバルブ２３を含む。ＥＧＲバルブ２３が開かれると、エンジン２から排出される排ガスの一部がＥＧＲ通路２２を流通し、ＥＧＲ通路２２からインテークマニホールド３を介してエンジン２に還流される。車両１の加速／減速状態では、ＥＧＲ率に基づいて、ＰＭ除去装置６のプラズマリアクタ８に電力を印加するパルス発生電源９が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマリアクタに印加される電力を制御する装置に関する。

エンジン、とくにディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などが含まれる。

排ガスに含まれるＰＭを除去する手法として、たとえば、ＰＭをＤＰＦ（Diesel particulate filter）で捕集し、燃料のポスト噴射または排気管内噴射により排ガスを昇温し、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させる手法が提案されている。しかしながら、この手法は、ＰＭを燃焼させる際に燃料を消費することによる燃費の悪化の問題を有している。また、いわゆる街乗り（市街地走行）では、排ガスの温度がＰＭを燃焼させる高温にならないため、かかる手法は、街乗りに多用される小型車には不向きである。

そこで、プラズマリアクタを用いて、排ガスに含まれるＰＭを除去する手法が提案されている。プラズマリアクタは、複数の電極パネルを備えている。電極パネルは、誘電体に電極を内蔵した構成であり、複数の電極パネルは、排ガスの流れ方向と直交する方向に間隔を空けて対向配置される。電極間にパルス電圧が印加されると、誘電体バリア放電が生じて、電極パネル間に低温プラズマ（非平衡プラズマ）が発生し、電極パネル間を流れる排ガス中のＰＭが酸化により除去される。

特開２００６−２６７２号公報

排ガスに含まれるＰＭを良好に除去するためには、プラズマリアクタの電極間に、排ガス中のＰＭ量に応じた電力を印加する必要がある。しかしながら、現在のところ、排ガスに含まれるＰＭの量を高精度に測定できる量産化可能なセンサが開発されていないので、ＰＭ量を推定せざるを得ない。

たとえば、エンジンから排出される排ガスの空燃比（Air / Fuel ratio）を取得し、空燃比から排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量を推定することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。空燃比は、エキゾーストマニホールドまたはその下流側に設けられたＡ／Ｆセンサにより検出される。そのため、空燃比からＰＭ量を推定する手法では、車両の急加減速により排ガス中のＰＭ量が急変したときに、ＰＭ量の変化に対して、プラズマリアクタの電極間に印加される電力の増減が遅れるおそれがある。ＰＭ量に応じた適切な電力がプラズマリアクタの電極間に印加されないと、排ガス中からＰＭを除去しきれずに、ＰＭがプラズマリアクタの下流側に排出される、いわゆるＰＭスリップを生じるおそれがある。

本発明の目的は、プラズマリアクタの電極間に印加される電力を適切に制御できる、印加電力制御装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るプラズマリアクタの印加電圧制御装置は、エンジンから排出される排ガスの一部をエンジンに再吸気させるためのＥＧＲバルブおよび排ガスに含まれる粒子状物質を除去するためのプラズマリアクタを搭載した車両に用いられ、電源からプラズマリアクタの電極間に印加される電力を制御する装置であって、ＥＧＲ率を取得するＥＧＲ率取得手段と、ＥＧＲ率取得手段により取得されるＥＧＲ率に基づいて、電源を制御する電源制御手段とを含む。

この構成によれば、ＥＧＲ率に基づいて、電源が制御されることにより、電源からプラズマリアクタの電極間に印加される電力が増減される。

ＥＧＲ率は、エンジンに還流させる排ガスの量（還流量）をエンジンに吸入される全空気量（新気量＋還流量）で除した値である。たとえば、車両のアクセルペダルの踏み込みが急激に緩められると、これに応答して、ＥＧＲバルブの開度が低減される。このとき、ＥＧＲバルブの動作が完了するまでの間に、ＥＧＲ率が過渡的に増加し、これに伴って、エンジンの燃焼温度が低下するので、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）の量が過渡的に増加する。

Ａ／Ｆセンサにより検出される空燃比に基づいて、プラズマリアクタの電極間に印加される電力が増減される制御では、Ａ／Ｆセンサがエキゾーストマニホールドまたはその下流側に設けられているため、過渡的に増量したＰＭを含む排ガスがエキゾーストマニホールドに排出された後に、電極間に印加される電力を増大させる制御が開始されることになる。そのため、電極間に印加される電力が増大される前に、過渡的に増量したＰＭを含む排ガスが電極間を通過するおそれがある。

ＥＧＲ率に基づいて、プラズマリアクタの電極間に印加される電力が増減される制御では、ＥＧＲ率が過渡的に増加した時点で、過渡的に増量したＰＭを含む排ガスがエキゾーストマニホールドに排出される前に、電極間に印加される電力を増大させる制御が開始される。よって、排ガス中のＰＭ量の過渡的な変化に対しても良好な応答性で、プラズマリアクタの電極間に印加される電力を適切に制御することができる。その結果、プラズマリアクタにより排ガス中のＰＭを良好に除去することができ、ＰＭスリップの発生を抑制することができる。

電源制御手段は、ＥＧＲ率取得手段により取得されるＥＧＲ率が０（零）であるとき、それ以外のときと比較して、プラズマリアクタの電極間に印加される電力を低減させてもよい。

ＥＧＲ率が０であるときには、ＥＧＲ率が０でないときと比較して、エンジンの燃焼温度が高いので、排ガス中のＰＭ量が大幅に減少する。そのため、ＥＧＲ率が０であるときには、プラズマリアクタの電極間に印加される電力が低減されても、排ガス中のＰＭを良好に除去することができる。プラズマリアクタの電極間に印加される電力の低減により、無駄な電力消費を抑えることができ、ひいては、消費電力の低減による燃費の向上を図ることができる。

本発明によれば、プラズマリアクタの電極間に印加される電力を適切に制御することができる。

本発明の一実施形態に係る印加電力制御装置が用いられる車両の要部構成を示す図である。 車両の電気的構成の要部を示すブロック図である。 指示電力設定処理の流れを示すフローチャートである。 ＥＧＲ率とエンジンから排出される排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量との関係を示す図である。 アクセル開度、ＥＧＲバルブの開度、ＥＧＲ率、ＰＭ量および印加電力の時間変化の一例を示すグラフである。 指示電圧補正処理の流れを示すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜車両の要部構成＞

図１は、本発明の一実施形態に係る印加電力制御装置が用いられる車両１の要部構成を示す図である。

車両１は、たとえば、エンジン２にディーゼルエンジンを採用したディーゼル自動車である。

エンジン２の各気筒の吸気ポートには、インテークマニホールド３が接続されている。インテークマニホールド３には、外気（新気）がエアクリーナ４を通過して取り込まれる。外気がエアクリーナ４を通過することにより、外気から粉塵などが除去されて、清浄な外気がインテークマニホールド３に取り込まれる。

エンジン２の各気筒の排気ポートには、エキゾーストマニホールド５が接続されている。エキゾーストマニホールド５には、エンジン２の各気筒から排出される排ガスが流通する。

エキゾーストマニホールド５の下流側には、ＰＭ除去装置６が設けられている。ＰＭ除去装置６は、流通管７、プラズマリアクタ８およびパルス発生電源９を備えている。

流通管７の一端は、エキゾーストマニホールド５に接続されている。流通管７の一端には、エキゾーストマニホールド５から排ガスが流入する。流通管７に流入した排ガスは、流通管７を流通し、流通管７の他端から排出される。

プラズマリアクタ８は、流通管７内に配置されている。プラズマリアクタ８は、複数の電極パネル１１を備えている。電極パネル１１は、四角板状をなし、誘電体１２に電極１３を内蔵した構成、言い換えれば、電極１３をその両面から誘電体１２で挟み込んだ構成を有している。誘電体１２の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を例示することができる。電極１３の材料としては、タングステンを例示することができる。電極パネル１１は、流通管７における排ガスの流通方向に延び、排ガスの流通方向と直交する方向に等間隔を空けて並列に配置されている。電極１３には、誘電体１２の積層方向の一端側から順に、プラス配線１４およびマイナス配線１５が交互に接続されている。

パルス発生電源９は、パルス電力を発生する。パルス発生電源９のプラス端子およびマイナス端子には、それぞれプラス配線１４およびマイナス配線１５が電気的に接続されている。これにより、パルス発生電源９が発生するパルス電力は、プラズマリアクタ８の互いに対向する電極間に印加される。この電力の印加により、誘電体バリア放電が生じ、電極パネル１１間に誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。このプラズマの発生により、電極パネル１１間を流通する排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

また、エンジン２には、ＥＧＲシステム２１が付随して設けられている。ＥＧＲシステム２１は、ＥＧＲ通路２２およびＥＧＲバルブ２３を含む。ＥＧＲ通路２２は、たとえば、一端がエキゾーストマニホールド５に接続され、その他端がインテークマニホールド３に接続されている。ＥＧＲバルブ２３は、ＥＧＲ通路２２の途中部に介装されている。ＥＧＲバルブ２３が開かれると、エンジン２から排出される排ガスの一部がＥＧＲ通路２２を流通し、ＥＧＲ通路２２からインテークマニホールド３を介してエンジン２に還流される。ＥＧＲ通路２２を流通する排ガスの流量は、ＥＧＲバルブ２３の開度により調整することができる。

＜電気的構成＞

図２は、車両１の電気的構成の要部を示すブロック図である。

車両１には、各部を制御するため、複数のＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）が搭載されている。ＥＣＵは、ＣＰＵおよびメモリを含む構成のマイコン（マイクロコントローラ）を備えている。複数のＥＣＵは、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信プロトコルによる双方向通信が可能に接続されている。

ＥＣＵには、エンジンＥＣＵ３１およびプラズマリアクタＥＣＵ３２が含まれる。

エンジンＥＣＵ３１には、エアクリーナ４からインテークマニホールド３に流入する外気の流量（新気量）を検出するエアフロメータ３３と、インテークマニホールド３からエンジン２に流入する空気の圧力、つまり吸気圧を検出する吸気圧センサ３４と、エキゾーストマニホールド５を通して排出される排ガスの空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３５とが接続されている。また、エンジンＥＣＵ３１には、エンジン回転数および燃料噴射量など、エンジン２の運転状態に応じて変化する各種の値（エンジン運転条件）を表す信号が入力されるようになっている。

エンジンＥＣＵ３１は、各種の入力に基づいて、エンジン２から排出される排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量を推定する。ＰＭ量の推定の手法については、後述する。エンジンＥＣＵ３１は、推定したＰＭ量をプラズマリアクタＥＣＵ３２に入力する。

プラズマリアクタＥＣＵ３２は、エンジンＥＣＵ３１により推定されたＰＭ量に応じた印加電力の目標値を設定し、その目標値に基づいて、パルス発生電源９を制御する。具体的には、パルス発生電源９は、所定の可変範囲内の直流電圧を発生する電源と、その電源の発生電圧を昇圧する昇圧トランスを含む昇圧回路と、昇圧回路の通電／停止を切り替えるスイッチング素子とを備えている。スイッチング素子が一定の周期でオンにされ、スイッチング素子がオンされている間、電源の発生電圧による電流が昇圧トランスの一次コイルに流れる。そして、相互誘導作用により、昇圧トランスの二次コイルに電源の発生電圧（一次電圧）より高い二次電圧がパルス的に発生する。パルス発生電源９が発生するパルス電力は、二次電圧の値およびその発生周期によって決まる。プラズマリアクタＥＣＵ３２は、エンジンＥＣＵ３１により推定されたＰＭ量に応じた印加電力の目標値である指示電力を設定し、その指示電力がパルス発生電源９からプラズマリアクタ８に印加されるように、パルス発生電源９に含まれる電源の発生電圧およびスイッチング素子のオン／オフの周期を制御する。

＜指示電力設定処理＞

図３は、指示電力設定処理の流れを示すフローチャートである。図４は、ＥＧＲ率とエンジン２から排出される排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量との関係を示す図である。

指示電力設定処理は、パルス発生電源９からプラズマリアクタ８に印加される電力の目標値（指示値）である指示電力を設定するための処理であり、エンジンＥＣＵ３１およびプラズマリアクタＥＣＵ３２の協働により実行される。

指示電力設定処理では、エンジンＥＣＵ３１により、車両１が加速／減速状態（加速状態または減速状態）であるか否かが判断される（ステップＳ１）。たとえば、エンジン回転数の時間変化率の絶対値が所定値を超えているときには、車両１が加速／減速状態であると判断でき、エンジン回転数の時間変化率の絶対値が所定値以下であるときには、車両１が加速／減速状態でないと判断できる。また、アクセル開度（アクセルペダルの踏み込み量）の時間変化率の絶対値が所定値を超えているときには、車両１が加速／減速状態であると判断でき、アクセル開度の時間変化率の絶対値が所定値以下であるときには、車両１が加速／減速状態でないと判断できる。その他、燃料噴射量の時間変化率の絶対値が所定値を超えているときに、車両１が加速／減速状態であると判断することもでき、車速の時間変化率の絶対値が所定値を超えている場合に、車両１が加速／減速状態であると判断することもできる。また、これらの判断要素が組み合わされてもよい。たとえば、エンジン回転数の時間変化率の絶対値が所定値を超え、かつ、アクセル開度の時間変化率の絶対値が所定値を超えているときに、車両１が加速／減速状態であると判断されてもよい。

車両１が加速／減速状態である場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、エンジンＥＣＵ３１により、ＥＧＲ率が演算され、そのＥＧＲ率に基づいて、エンジン２から排出される排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量が推定される（ステップＳ２）。

ＥＧＲ率は、エンジン２に還流させる排ガスの量（還流量）をエンジン２に吸入される全空気量（新気量＋還流量）で除した値である。新気量は、エアフロメータ３３により検出される。全空気量は、吸気圧センサ３４により検出される吸気圧から演算により求めることができる。

ＥＧＲ率と排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量とは、図４に示される関係を有している。すなわち、ＥＧＲ率が高いほど、エンジン２の燃焼温度が低下するので、排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量が増加する。ＥＧＲ率とＰＭ量との関係は、予め実験により求められて、エンジンＥＣＵ３１のメモリにマップの形態で格納されている。エンジンＥＣＵ３１により、ＥＧＲ率が求められると、メモリに格納されているＥＧＲ率とＰＭ量との関係が参照されて、その関係からＥＧＲ率に応じたＰＭ量が推定される。

一方、車両１が加速／減速状態でない場合には（ステップＳ１のＮＯ）、エンジンＥＣＵ３１により、空燃比に基づいて、エンジン２から排出される排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量が推定される（ステップＳ３）。空燃比からＰＭ量を推定する手法は、公知であるから（たとえば、特開２００６−２６７２号公報参照）、その説明を省略する。

エンジンＥＣＵ３１により推定されたＰＭ量は、エンジンＥＣＵ３１からプラズマリアクタＥＣＵ３２に入力される。この入力を受けて、プラズマリアクタＥＣＵ３２により、ＰＭ量に応じた指示電力が設定される（ステップＳ４）。

＜作用効果＞

以上のように、車両１の加速／減速状態では、ＥＧＲ率に基づいて、プラズマリアクタ８に印加される電力の目標値である指示電力が設定され、その指示電力に基づいて、パルス発生電源９が制御される。

たとえば、図５（ａ）に示されるように、車両１のアクセルペダルの踏み込みが急激に緩められると（時刻Ｔ）、これに応答して、図５（ｂ）に示されるように、ＥＧＲバルブ２３の開度が低減される。このとき、図５（ｃ）に示されるように、ＥＧＲバルブ２３の動作が完了するまでの間に、ＥＧＲ率が過渡的に増加し、これに伴って、図５（ｄ）に示されるように、エンジン２の燃焼温度が低下するので、排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量が過渡的に増加する。

ＥＧＲ率に基づいて、指示電力が設定されることにより、ＥＧＲ率が過渡的に増加した時点で、過渡的に増量したＰＭを含む排ガスがエキゾーストマニホールド５に排出される前に、指示電圧がＰＭ量に応じた値に引き上げられて、図５（ｄ）に示されるように、電極１３間に印加される電力が増大される。よって、排ガス中のＰＭ量の過渡的な変化に対しても良好な応答性で、プラズマリアクタ８の電極１３間に印加される電力を適切に制御することができる。その結果、プラズマリアクタ８により排ガス中のＰＭを良好に除去することができ、ＰＭスリップの発生を抑制することができる。

＜指示電圧補正処理＞

図６は、指示電圧補正処理の流れを示すフローチャートである。

エンジン２の動作中、エンジンＥＣＵ３１およびプラズマリアクタＥＣＵ３２の協働により、図３に示される指示電力設定処理と並行して、図６に示される指示電圧補正処理が繰り返し実行されてもよい。

指示電圧補正処理では、エンジンＥＣＵ３１により、ＥＧＲ率が演算されて、その演算されたＥＧＲ率がプラズマリアクタＥＣＵ３２に入力される。そして、プラズマリアクタＥＣＵ３２により、エンジンＥＣＵ３１から入力されたＥＧＲ率が０であるか否かが判断される（ステップＳ１１）。

ＥＧＲ率が０であるときには（ステップＳ１１のＹＥＳ）、プラズマリアクタＥＣＵ３２により、指示電力設定処理により設定された指示電力が低減補正される（ステップＳ１２）。この場合、プラズマリアクタＥＣＵ３２により、その低減補正された指示電力がパルス発生電源９からプラズマリアクタ８に印加されるように、パルス発生電源９が制御される。

一方、ＥＧＲ率が０でないときには（ステップＳ１１のＮＯ）、プラズマリアクタＥＣＵ３２による指示電力の低減補正は行われない（ステップＳ１２のスキップ）。この場合、プラズマリアクタＥＣＵ３２により、指示電力設定処理により設定された指示電力がパルス発生電源９からプラズマリアクタ８に印加されるように、パルス発生電源９が制御される。

ＥＧＲ率が０であるときには、ＥＧＲ率が０でないときと比較して、エンジン２の燃焼温度が高いので、排ガス中のＰＭ量が大幅に減少する。そのため、ＥＧＲ率が０であるときには、プラズマリアクタ８の電極１３間に印加される電力が低減されても、排ガス中のＰＭを良好に除去することができる。プラズマリアクタ８の電極１３間に印加される電力の低減により、無駄な電力消費を抑えることができ、ひいては、消費電力の低減による燃費の向上を図ることができる。

＜変形例＞

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、ＥＧＲ率から排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量が推定され、その推定されたＰＭ量に応じた指示電力が設定されるとした。しかしながら、ＥＧＲ率と指示電力との関係を示すマップがメモリに格納されて、ＰＭ量が推定されずに、ＥＧＲ率に応じた指示電力が設定されてもよい。

また、図６に示される指示電圧補正処理が実行される構成では、指示電力設定処理において、車両１の加速／減速状態であるか否かに拘わらず、空燃比に基づいて、エンジン２から排出される排ガスの単位体積中に含まれるＰＭ量が推定されてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 車両
２ エンジン
８ プラズマリアクタ
９ パルス発生電源（電源）
１３ 電極
２３ ＥＧＲバルブ
３１ エンジンＥＣＵ（ＥＧＲ率取得手段）
３２ プラズマリアクタＥＣＵ（電源制御手段）
３３ エアフロメータ（ＥＧＲ率取得手段）
３４ 吸気圧センサ（ＥＧＲ率取得手段）

Claims (2)

1. エンジンから排出される排ガスの一部を前記エンジンに再吸気させるためのＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブおよび排ガスに含まれる粒子状物質を除去するためのプラズマリアクタを搭載した車両に用いられ、電源から前記プラズマリアクタの電極間に印加される電力を制御する装置であって、
   ＥＧＲ率を取得するＥＧＲ率取得手段と、
   前記ＥＧＲ率取得手段により取得されるＥＧＲ率に基づいて、前記電源を制御する電源制御手段とを含む、印加電力制御装置。
2. 前記電源制御手段は、前記ＥＧＲ率取得手段により取得されるＥＧＲ率が零であるとき、それ以外のときと比較して、前記電極間に印加される電力を低減させる、請求項１に記載の印加電力制御装置。

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