JP2019157715A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス浄化性能に優れ、かつ、省電力化を図ることができるエンジンシステムを提供すること。【解決手段】エンジンシステム１は、ガソリンによって動力および排ガスを生じさせ、冷却水により冷却されるガソリンエンジン２と、ガソリンエンジン２において生じる排ガスが通過可能な排気管３と、排気管３に介在されるプラズマリアクタ５と、プラズマリアクタ５に電力を印加する電源６と、ガソリンエンジン２の冷却水の温度を検知する温度センサ７と、電源６の出力を制御する制御ユニット８とを備え、制御ユニット８が、温度センサ７により検知される温度が、所定値以上である場合には、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されているときに、プラズマリアクタ５に対する電力の印加を停止し、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されていないときに、プラズマリアクタ５に対して電力を印加するように、電源６を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステム、詳しくは、ガソリンエンジンから排出される排ガスを浄化することができるエンジンシステムに関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンから排出される排ガスには、炭化水素（ＴＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害成分や、粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）などが含まれている。

そのため、エンジンシステムにおいては、排ガス浄化用触媒（三元触媒）やプラズマリアクタなどの排ガス浄化手段が備えられている。

排ガス浄化手段は、通常、排ガス流路に介在されており、具体的には、例えば、車両のエンジンから排出される排ガスからＰＭを除去するためのプラズマリアクタを、エキゾーストパイプなどの排気管の途中部分に介装させ、排ガス中のＰＭを酸化および除去することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１８− １７２１７号公報

一方、プラズマリアクタによるＰＭの除去においては、ＰＭを静電的にリアクタ内に吸着させることと、その静電的に吸着されたＰＭを酸化させることとが、要求される。このようなＰＭの除去において、後者のＰＭの酸化には酸素が必要である。

この点、上記のエンジンがガソリンエンジンである場合には、ディーゼルエンジンである場合に比べ、排ガス中の酸素濃度が低い場合があり、このような状態でプラズマリアクタを作動させても、ＰＭを効率よく酸化できず、電力の浪費を惹起する場合がある。

そのため、プラズマリアクタにおいては、優れた排ガス浄化率を発現しながら、省電力化を図ることが要求されている。

本発明は、排ガス浄化性能に優れ、かつ、省電力化を図ることができるエンジンシステムである。

本発明［１］は、ガソリンによって動力および排ガスを生じさせ、冷却水により冷却されるガソリンエンジンと、前記ガソリンエンジンにおいて生じる排ガスが通過可能な排気管と、前記排気管に介在されるプラズマリアクタと、前記プラズマリアクタに電力を印加する電源と、前記ガソリンエンジンの冷却水の温度を検知する温度センサと、前記電源の出力を制御する制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記温度センサにより検知される温度が、所定値以上である場合には、前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されているときに、前記プラズマリアクタに対する電力の印加を停止し、前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されていないときに、前記プラズマリアクタに対して電力を印加するように、前記電源を制御する、エンジンシステムを含んでいる。

すなわち、ガソリンエンジンにおいては、通常、エンジンの始動時などの特定状態においてＰＭ発生量が比較的多くなり、また、エンジンの定常運転時などには、ＰＭ発生量が比較的少なくなる。

換言すれば、温度センサにより検知される冷却水の温度が所定値未満である場合（例えば、エンジンの始動時など）にはＰＭ発生量が比較的多くなり、また、温度センサにより検知される冷却水の温度が所定値以上である場合（例えば、暖気後の定常運転時）には、ＰＭ発生量が比較的少なくなる。

そこで、本発明のガソリンエンジンでは、温度センサにより検知される冷却水の温度が所定値以上である場合（例えば、暖気後の定常運転時）には、ＰＭ発生量が比較的少なくなるため、常にプラズマリアクタを作動させるのではなく、特定のタイミングでのみ、プラズマリアクタを作動させる。

具体的には、ガソリンエンジンにガソリンが供給されているときには、プラズマリアクタに対する電力の印加を停止し、ガソリンエンジンにガソリンが供給されていないときに、プラズマリアクタに対して電力を印加する。

すなわち、ガソリンエンジンにガソリンが供給されていない場合（燃料カット時）には、排ガス中の酸素濃度が比較的高くなるため、このときにプラズマリアクタを作動させることにより、リアクタ内に静電的に吸着させたＰＭを、効率よく酸化（除去）することができる。

また、ガソリンエンジンにガソリンが供給されている場合には、排ガス中の酸素濃度が比較的低くなる（すなわち、ＰＭ酸化効率が低下する）ため、プラズマリアクタの作動を停止させることにより、電力の浪費を抑制し、省電力化を図ることができる。

また、本発明［２］は、前記制御ユニットが、前記温度センサにより検知される温度が、所定値未満である場合には、前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されているときと、前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されていないときとの両方において、前記プラズマリアクタに対して電力を印加するように、前記電源を制御する、上記［１］記載のエンジンシステムを含んでいる。

すなわち、温度センサにより検知される冷却水の温度が所定値未満である場合（例えば、エンジンの始動時など）には、ＰＭ発生量が比較的多くなるため、ガソリンエンジンにガソリンが供給されているときと、ガソリンエンジンにガソリンが供給されていないときとの両方において、プラズマリアクタを作動させる。これにより、酸素濃度が比較的低い場合でも、ＰＭをリアクタ内に静電的に吸着させることができる。

本発明のエンジンシステムによれば、優れた排ガス浄化性能を得ることができ、かつ、省電力化を図ることができる。

図１は、本発明の排ガス浄化システムの一実施形態を示す概略図である。 図２は、図１の制御ユニットにおいて実行される制御処理を示すフロー図である。

１．エンジンシステムの全体構成
図１において、エンジンシステム１は、例えば、ガソリン自動車などに搭載されるエンジンシステムであって、ガソリンエンジン２と、ガソリンエンジン２から排出される排ガスを浄化する浄化システムとを備えており、より具体的には、エンジンシステム１は、ガソリンエンジン２と、ガソリンエンジン２において生じる排ガスが通過可能な排気管３と、排気管３に介在される触媒ユニット４と、触媒ユニット４よりも下流側において排気管３に介在されるプラズマリアクタ５と、プラズマリアクタ５に電力を印加（供給）する電源６とを備えている。

ガソリンエンジン２は、ガソリンを燃料として駆動する公知の内燃機関であり、エンジン本体１５と、エンジン本体１５に燃料を供給する燃料供給装置２０と、エンジン本体１５を冷却するための冷却装置２５とを備えている。

エンジン本体１５は、公知のガソリンエンジンであって、例えば、単気筒型ガソリンエンジン、多気筒型ガソリンエンジンなどが挙げられる。

ガソリン本体１５では、図示しない吸気部により吸気されるとともに、後述する燃料供給装置２０によりガソリンが供給される。そして、気筒内においてピストンの昇降運動が繰り返されることによって、ガソリンと空気との混合ガスを燃焼させ、動力および排ガスを生じさせる。

燃料供給装置２０は、燃料タンク２１および燃料供給管２２を備えている。

燃料タンク２１は、エンジン本体１５に供給される燃料としてのガソリンが貯留されるタンクであって、耐熱耐圧容器などから形成されている。

燃料供給管２２は、燃料タンク２１からエンジン本体１５に燃料を供給するために設けられており、その上流側端部が燃料タンク２１に接続されるとともに、下流側端部が、燃料噴射弁２３に接続されている。

燃料噴射弁２３は、エンジン本体１５に対する燃料タンク２１からの燃料の供給量を調節するとともに、その燃料をエンジン本体１５に対して噴射するための弁であって、燃料供給管２２の下流側端部に設けられている。燃料噴射弁２３としては、特に制限されず、公知の噴射弁を用いることができる。

このような燃料噴射弁２３は、後述する制御ユニット８に電気的に接続されており（図１破線参照）、制御ユニット８によって、その開閉が制御されている。

すなわち、後述する制御ユニット８に燃料噴射弁２３が電気的に接続されることにより、制御ユニット８からの制御信号が、燃料噴射弁２３に入力可能とされている。

これにより、制御ユニット８が、エンジン本体１５の運転状態に応じて、燃料噴射弁２３の開閉、すなわち、燃料噴射弁２３による燃料の供給を制御可能としている。

冷却装置２５は、エンジン本体１５に冷却水を循環させるためのラジエータホース２６と、冷却水を冷却するためのラジエータ２７とを備えている。

ラジエータホース２６は、エンジン本体１５のウォータージャケット（図示せず）に接続されている。これにより、冷却水は、ラジエータホース１６およびウォータージャケット（図示せず）により形成されるクローズドラインを循環する。

ラジエータ２７は、ラジエータホース２６の途中に介在され、上記クローズドラインの一部を形成している。ラジエータ２７としては、例えば、表面に多数のフィンが形成された、公知のラジエータを適用することができる。

排気管３は、ガソリンエンジン２の気筒から排ガスを排出するために設けられる管（例えば、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプなど）であって、ガソリンエンジン２で生じる排ガスの排気経路を構成している。

触媒ユニット４は、排気管３における排ガスの流れ方向途中部分において、排ガスに含まれる有害成分（ＰＭを除く。）を浄化するために設けられている。

ガソリンエンジン２から排出される有害成分としては、例えば、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）などが挙げられる。

このような触媒ユニット４は、内部に排ガス浄化触媒を備えている。より具体的には、触媒ユニット４は、例えば、触媒担体およびその担体上にコーティングされる排ガス浄化触媒を備えている。

排ガス浄化触媒は、上記した有害成分の種類に応じて適宜選択されるが、例えば、公知の三元触媒（貴金属触媒など）などが挙げられる。

プラズマリアクタ５は、触媒ユニット４よりも排ガスの流れ方向下流側において、触媒ユニット４で浄化されずに残存する有害成分（ＰＭ）を浄化するために設けられている。

より具体的には、プラズマリアクタ５は、排気管３と一体的に形成される矩形筒状の筐体部１１と、筐体部の内側において互いに間隔を隔てて対向配置される複数の電極パネル１２とを備えている。電極パネル１２は、誘電板および電極を備える板状部材であって、後述する電源６に接続されている。そして、プラズマリアクタ５では、電極パネル１２（電極）に電力が印加（供給）されることにより、電力に応じた出力でプラズマが発生する。

電源６は、プラズマリアクタ５に電力を印加するために設けられており、プラズマリアクタ５の電極パネル１２（電極）に電気的に接続されている（図１破線参照。）。そして、電源６からプラズマリアクタ５の電極パネル１２（電極）に対して電力が印加（供給）されることにより、プラズマリアクタ５内にプラズマが発生する。

このような電源６としては、例えば、直流電源、交流電源、パルス電源などが挙げられ、好ましくは、パルス電源が挙げられる。

また、詳しくは後述するが、電源６は、制御ユニット８（後述）に電気的に接続されており、後述するように、温度センサ７（後述）の検知、および、燃料供給装置２０の作動状態に基づいて、その動作が制御される。

さらに、このようなエンジンシステム１は、ガソリンエンジンの冷却水の温度を検知する温度センサ７と、電源６の出力を制御する制御ユニット８とを備えている。

温度センサ７は、上記したラジエータ２７内において、冷却水の温度を検知する公知の温度検知器であって、例えば、サーミスタ、熱電対など、公知の温度検知器が挙げられる。

このような温度センサ７は、後述する制御ユニット８に電気的に接続されており（図１破線参照）、制御ユニット８に、温度センサ７による検知結果が入力可能とされている。

制御ユニット８は、エンジンシステム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。

制御ユニット８は、エンジン本体１５の運転状態（例えば、図示しない回転計により検知されるエンジン本体１５の回転数など）に基づいて燃料供給量を制御する。

また、制御ユニット８は、温度センサ７および電源６に電気的に接続されており（図１破線参照）、温度センサ７の検知、および、燃料供給装置２０の作動状態に基づいて、その動作が制御される。

２．排ガスの浄化
図１に示されるエンジンシステム１においては、例えば、制御ユニット８の制御により燃料供給装置２０（燃料噴射弁２３）からガソリンエンジン２０に燃料（ガソリン）が供給され、ガソリンエンジン２が駆動開始されると、ガソリンエンジン２から動力および排ガスが生じる（図１矢印参照。）。

ガソリンエンジン２において排ガスは、排気管３内を通過して、触媒ユニット４に供給される。触媒ユニット４では、排ガス中の有害成分の少なくとも一部が、排ガス浄化触媒によって浄化（除去）される。その後、排ガスは、触媒ユニット４から排出される。

このとき、触媒ユニット４を通過した排ガスには、排ガス浄化触媒によって浄化されずに残存する、未浄化の有害成分（ＰＭ）が、含まれる。

このような場合、上記のエンジンシステム１では、触媒ユニット４よりも下流側において、プラズマリアクタ５を駆動させることにより、未浄化の有害成分（ＰＭ）を浄化する。

より具体的には、触媒ユニット４を通過した排ガスは、排気管３を介して、プラズマリアクタ５に供給される。

このとき、プラズマリアクタ５の電極パネル１２（電極）に対して、電源６から所定の電力を供給することにより、プラズマリアクタ５内にプラズマを発生させる。その結果、プラズマリアクタ５を通過する排ガス中の有害成分（ＰＭ）が、プラズマ処理（静電吸着および酸化除去）される。

その後、排ガスは、プラズマリアクタ５から排出され、排気管３の下流側端部から大気開放される。

上記したように、このエンジンシステム１では、排ガス中の有害成分が、触媒ユニット４およびプラズマリアクタ５によって浄化される。

なお、必要に応じて、触媒ユニット４を省略し、プラズマリアクタ５においてのみ、有害成分を除去することもできる。

３．浄化効率
一方、プラズマリアクタ５によるＰＭの除去においては、ＰＭを静電的にリアクタ内に吸着させることと、その静電的に吸着されたＰＭを酸化させることとが、要求される。このようなＰＭの除去において、後者のＰＭの酸化には酸素が必要である。

この点、上記のガソリンエンジン２は、ディーゼルエンジンに比べ、排ガス中の酸素濃度が低い場合があり、このような状態でプラズマリアクタ５を作動させても、ＰＭを効率よく酸化できず、電力の浪費を惹起する場合がある。

そのため、プラズマリアクタ５においては、優れた排ガス浄化率を発現しながら、省電力化を図ることが要求されている。

そこで、このエンジンシステム１では、以下に示すように、プラズマリアクタ５の出力を制御する。

図２は、図１に示されるエンジンシステム１の制御ユニット８において実行される制御処理を示すフロー図である。

なお、図２に示す制御処理は、制御ユニット８のＲＯＭに記憶されており、その制御処理が制御ユニット８の中央処理装置（ＣＰＵ）により実行される。

以下、制御ユニット８において実行される制御処理について、図２を参照して詳述する。

この制御処理は、図２にスタートとして示されるように、ガソリンエンジン２の駆動開始をトリガーとして開始される。

ガソリンエンジン２の駆動が開始されると、上記したように、ガソリンエンジン２から動力および排ガスが生じる。また、ガソリンエンジン２の駆動開始に伴って、冷却装置２５も駆動開始され、ガソリンエンジン２を冷却する。その結果、冷却水の温度が上昇する。

そして、排ガスは、触媒ユニット４およびプラズマリアクタ５を順次通過し、排ガス中の有害成分が浄化される。

このような排ガスの浄化において、上記のエンジンシステム１では、上記のように排ガスを浄化するとともに、温度センサ７によって、冷却水の温度を検知する（ステップＳ１）。

このとき、温度センサ７で検知された温度は、電気信号として制御ユニット８に入力される。

そして、この制御処理では、冷却水の温度が、予め設定された所定の閾値以上であるか否かが、制御ユニット８において判断される（ステップＳ２）。

冷却水の温度の閾値は、詳しくは後述するように、ＰＭの発生量が多いか少ないかを判断するための指標となる温度であって、目的および用途に応じて、適宜設定される。

具体的には、例えば、４０℃以上、好ましくは、５０℃以上、より好ましくは、６０℃以上であり、例えば、９０℃以下、好ましくは、８０℃以下、より好ましくは、７０℃以下の温度範囲において、１点が、冷却水の温度の閾値として定められる。

冷却水の温度が上記閾値以上であれば、ガソリンエンジン２が暖気後の定常状態であると判断される（ステップＳ２：ＹＥＳ）。

通常、ガソリンエンジン２がこのような状態であれば、ガソリンエンジン２から排出されるＰＭは、比較的少なくなる。そこで、この場合には、燃料供給装置２０（燃料噴射弁２３）による燃料の供給状態が確認される（ステップＳ３）。

より具体的には、燃料の供給は、制御ユニット８により制御されている。具体的には、例えば、ガソリンエンジン２の出力の向上が要求される場合（ガソリン自動車の加速が要求される場合など）には、燃料の供給量が多くなる。一方、例えば、ガソリンエンジン２の出力が要求されない場合（ガソリン自動車の減速が要求される場合など）には、燃料の供給量が少なくなるか、または、燃料の供給が停止される。

そこで、この制御処理では、燃料の供給が停止されているか否かが、制御ユニット８において判断される（ステップＳ４）。

そして、燃料の供給が停止されている場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、所定の電力をプラズマリアクタ５に印加するように、電源６の出力を制御する。

これにより、プラズマリアクタ５が作動し、プラズマリアクタ５内において、静電的に吸着されたＰＭが酸化および除去される。

一方、燃料の供給が停止されていない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、電力をプラズマリアクタ５に印加することなく、再度、冷却水の温度を検知する（ステップＳ１）。

すなわち、上記のエンジンシステム１では、温度センサ７により検知される冷却水の温度が、所定値以上である場合には、制御ユニット８が電源６を制御することによって、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されているときに、プラズマリアクタ２に対する電力の印加を停止し、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されていないときにのみ、プラズマリアクタ２に対して電力を印加する。

これに対して、温度センサ７により検知される冷却水の温度が、所定値未満である場合、ガソリンエンジン２が、暖気前または暖気中（すなわち、始動時）であると判断される（ステップＳ２：ＮＯ）。

通常、ガソリンエンジン２がこのような状態であれば、ガソリンエンジン２から排出されるＰＭは、比較的多くなる。そこで、この場合には、燃料供給装置２０（燃料噴射弁２３）による燃料の供給状態によらず、所定の電力をプラズマリアクタ５に印加するように、電源６の出力を制御する。

これにより、プラズマリアクタ５が作動し、プラズマリアクタ５内において、ＰＭが静電的に吸着される。

このようにして、上記のエンジンシステム１では、排気管３から大気開放される排ガス中の有害成分を低減することができる。

なお、上記の制御処理は、ガソリンエンジン２が停止されるまで繰り返される（リターン）。

４．作用・効果
上記したように、ガソリンエンジン２においては、通常、エンジンの始動時などの特定状態においてＰＭ発生量が比較的多くなり、また、エンジンの定常運転時などには、ＰＭ発生量が比較的少なくなる。

換言すれば、温度センサ７により検知される冷却水の温度が所定値未満である場合（例えば、エンジンの始動時など）にはＰＭ発生量が比較的多くなり、また、温度センサ７により検知される冷却水の温度が所定値以上である場合（例えば、暖気後の定常運転時）には、ＰＭ発生量が比較的少なくなる。

そこで、上記のガソリンエンジン２では、温度センサ７により検知される冷却水の温度が所定値以上である場合（例えば、暖気後の定常運転時）には、ＰＭ発生量が比較的少なくなるため、常にプラズマリアクタ５を作動させるのではなく、特定のタイミングでのみ、プラズマリアクタ５を作動させる。

具体的には、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されているときには、プラズマリアクタ５に対する電力の印加を停止し、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されていないときに、プラズマリアクタ５に対して電力を印加する。

すなわち、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されていない場合（燃料カット時）には、排ガス中の酸素濃度が比較的高くなるため、このときにプラズマリアクタ５を作動させることにより、リアクタ内に静電的に吸着させたＰＭを、効率よく酸化（除去）することができる。

また、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されている場合には、排ガス中の酸素濃度が比較的低くなる（すなわち、ＰＭ酸化効率が低下する）ため、プラズマリアクタ５の作動を停止させることにより、電力の浪費を抑制し、省電力化を図ることができる。

また、上記のエンジンシステム１では、温度センサ７により検知される冷却水の温度が所定値未満である場合（例えば、エンジンの始動時など）には、ＰＭ発生量が比較的多くなるため、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されているときと、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されていないときとの両方において、プラズマリアクタ５を作動させる。これにより、酸素濃度が比較的低い場合でも、ＰＭをリアクタ内に静電的に吸着させることができる。

なお、上記のエンジンシステム１では、温度センサ７により検知される冷却水の温度が所定値未満である場合（例えば、エンジンの始動時など）にも、上記のエンジンシステム１では、温度センサ７により検知される冷却水の温度が所定値以上である場合（例えば、エンジンの定常運転時など）と同様に、ガソリンエンジン２にガソリンが供給されていないときにのみ、プラズマリアクタ５を作動させることもできる。

１ 排ガス浄化システム
２ 内燃機関
３ 排気管
４ 触媒ユニット
５ プラズマリアクタ
６ 電源
７ 温度センサ
８ 制御ユニット

Claims (2)

1. ガソリンによって動力および排ガスを生じさせ、冷却水により冷却されるガソリンエンジンと、
   前記ガソリンエンジンにおいて生じる排ガスが通過可能な排気管と、
   前記排気管に介在されるプラズマリアクタと、
   前記プラズマリアクタに電力を印加する電源と、
   前記ガソリンエンジンの冷却水の温度を検知する温度センサと、
   前記電源の出力を制御する制御ユニットとを備え、
   前記制御ユニットが、
   前記温度センサにより検知される温度が、所定値以上である場合には、
   前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されているときに、前記プラズマリアクタに対する電力の印加を停止し、
   前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されていないときに、前記プラズマリアクタに対して電力を印加する
   ように、前記電源を制御する
   ことを特徴とする、エンジンシステム。
2. 前記制御ユニットが、
   前記温度センサにより検知される温度が、所定値未満である場合には、
   前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されているときと、前記ガソリンエンジンにガソリンが供給されていないときとの両方において、前記プラズマリアクタに対して電力を印加する
   ように、前記電源を制御する
   ことを特徴とする、請求項１に記載のエンジンシステム。

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