JP2020165316A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマリアクターが水濡状態である場合に、放電の開始前にプラズマリアクターを停止することができ、漏電を防止できるエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジン２と、バッテリー３と、プラズマリアクター５と、バッテリー３からプラズマリアクター５への電力供給を制御する制御部７と、プラズマリアクター５に接続され、プラズマリアクター５の電荷量を検知する電荷センサ１０とを備えるエンジンシステム１において、制御部７が、プラズマリアクター５に対して電力が供給され、かつ、放電が開始する前に、電荷センサ１０により検知される電荷量Ｑと、プラズマリアクター５に対する電力の供給開始からの通電時間ｔとに基づいて、単位時間あたりの電荷上昇量を示す電荷上昇係数を算出し、電荷上昇係数が所定値以上である場合に、プラズマリアクター５が水濡状態であると判断して、プラズマリアクター５に対する電力の供給を停止する。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

従来、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）などの有害成分を分解する装置として、プラズマリアクターが知られている。プラズマリアクターは、一対の電極パネルの間にプラズマを発生させ、そのプラズマによって有害成分を分解する。

このようなプラズマリアクターは、排ガスが供給されるとともに、温度が上下されるため、排ガスに含まれる水分がプラズマリアクター内で結露する場合があり、電極パネルが水濡する場合がある。水濡した電極パネルは、継続的な排ガス（高温ガス）の供給により乾燥されるが、運転状況によっては、十分に乾燥できない場合がある。そして、電極パネルが多量に水濡している状態で、プラズマリアクターを起動させると、漏電などを惹起する場合がある。そのため、プラズマリアクターの漏電などの異常を検知することが要求されている。

プラズマリアクターの漏電などを検出する方法としては、例えば、プラズマリアクターに印加される電流値を一定周期で取得し、異常放電（漏電）によって電流値が所定範囲から外れた回数をカウントし、カウント回数が閾値以上である場合に、異常であると検出する異常検出装置が、提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８−１８７７７号公報

上記の異常検出装置では、異常放電（漏電）によって電流値が所定範囲から外れた回数をカウントすることにより、放電開始後において、プラズマリアクターの異常を検出することができる。

しかし、異常放電（漏電）が発生する前の段階では、プラズマリアクターの異常を検出できないため、異常放電が発生することは回避できず、漏電を防止することができないという不具合がある。

本発明は、プラズマリアクターが水濡状態である場合に、放電の開始前にプラズマリアクターを停止することができ、漏電を防止できるエンジンシステムである。

本発明［１］は、エンジンと、バッテリーと、前記バッテリーから電力が供給され、前記エンジンから排出される排ガスに含まれる成分を分解するプラズマリアクターと、前記バッテリーから前記プラズマリアクターへの電力供給を制御する制御部と、前記プラズマリアクターに接続され、前記プラズマリアクターの電荷量を検知する電荷センサとを備え、前記制御部は、前記プラズマリアクターに対して電力が供給され、かつ、放電が開始する前に、前記電荷センサにより検知される電荷量と、前記プラズマリアクターに対する電力の供給開始からの通電時間とに基づいて、単位時間あたりの電荷上昇量を示す電荷上昇係数を算出し、前記電荷上昇係数が所定値以上である場合に、前記プラズマリアクターが水濡状態であると判断して、前記プラズマリアクターに対する電力の供給を停止する、エンジンシステムを含んでいる。

本発明のエンジンシステムでは、プラズマリアクターに電圧が印加された後、放電が開始する前に、プラズマリアクターの電荷量と、プラズマリアクターに対する電力の供給開始からの通電時間とに基づいて、単位時間あたりの電荷上昇量を示す電荷上昇係数が算出される。この放電前における電荷上昇係数は、プラズマリアクターの水濡の度合いに応じて高くなるため、電荷上昇係数から、プラズマリアクターの水濡の度合いを予測することができる。

そして、本発明のエンジンシステムでは、放電前の電荷上昇係数が、所定の閾値以上である場合には、プラズマリアクターの水濡の度合いが高いと判断して、プラズマリアクターへの電力の供給を停止する。

このようにして、本発明のエンジンシステムでは、プラズマリアクターが水濡状態である場合に、放電が開始する前にプラズマリアクターを停止して、漏電を防止することができる。

図１は、本発明のエンジンシステムの一実施形態の概略構成図である。 図２は、図１のエンジンシステムの一実施形態の制御を説明するための電荷−時間グラフである。

１．エンジンシステムの構成
図１に示すように、エンジンシステム１は、例えば、車両１００に搭載される。エンジンシステム１は、エンジン２と、バッテリー３と、プラズマリアクター５と、制御部７と、電荷センサ１０とを備える。

（１）エンジン
エンジン２は、例えば、車両１００のエンジンルーム内に配置される。エンジン２には、図示しない吸気系、および、図示しない燃料噴射系が接続される。吸気系、および、燃料噴射系は、制御部７によって制御される。エンジン２は、図示しないスターターモーターによって始動運転され、図示しない各種センサ（回転数センサなど）からの電気信号に基づいて、制御部７により制御される。また、エンジン２は、排気管１１を有しており、エンジン２において生じる排ガスが、排気管１１を介して排出される。

（２）バッテリー
バッテリー３は、例えば、車両１００のエンジンルーム内に配置される。バッテリー３としては、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの公知の二次電池が挙げられる。

（３）プラズマリアクター
プラズマリアクター５は、エンジン２から排出される排ガスに含まれる有害成分を分解する。プラズマリアクター５には、バッテリー３から電力が供給される。

詳しくは、プラズマリアクター５は、排ガスが供給されるケース（図示せず）と、そのケース内に配置される少なくとも１対の電極パネル（図示せず）とを有する。１対の電極パネルは、互いに間隔を隔てて対向する金属電極と、金属電極を被覆する誘電体とを備えている。また、プラズマリアクター５の電極パネル（図示せず）は、電源配線９を介して、バッテリー３に電気的に接続されている。

このようなプラズマリアクター５は、排気管１１の途中に介在される。つまり、プラズマリアクター５は、排気管１１を介して、エンジン２に接続される。これにより、プラズマリアクター５には、エンジン２から排出された排ガスが、導入される。

そして、プラズマリアクター５は、後述する制御部７により、運転および停止が切り替えられる。

より具体的には、電源配線９の途中には、電源装置４が介在される。電源装置４は、例えば、図示しないスイッチと、図示しない昇圧回路（例えば、フライバックコンバーターなど）とを有しており、スイッチが、信号配線６を介して、制御部７に電気的に接続される。制御部７は、電源装置４のスイッチをオンすることにより、バッテリー３から、電源装置４を中継して、プラズマリアクター５に電力を供給する（ＯＮ状態）。また、制御部７は、スイッチをオフすることにより、電源装置４を介して、バッテリー３からプラズマリアクター５への電力供給を停止する（ＯＦＦ状態）。

そして、プラズマリアクター５がＯＮ状態である場合、プラズマリアクター５の電極パネルに、バッテリー３から電源配線９を介して、電力が供給され、１対の電極パネルの間で放電が生じる。これにより、１対の電極パネルの間の気体が、プラズマ状態となる。すなわち、プラズマリアクター５内にプラズマが発生する。

このようにして、プラズマリアクター５（ＯＮ状態）が所定の電力で運転（定常運転）されると、プラズマリアクター５に導入された排ガスに含まれる有害成分（例えば、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）など）は、プラズマリアクター５内のプラズマにより、分解される。そして、プラズマリアクター５を通過した排ガスは、排気管１１を介して、車外に排出される。

一方、プラズマリアクター５がＯＦＦ状態である場合には、上記の電力は供給されず、プラズマは発生しない。

（４）制御部
制御部７は、バッテリー３からプラズマリアクター５への電力供給を制御する。制御部７は、車両１００における電気的な制御を実行するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備える。制御部７は、電源配線１３を介して、バッテリー３に接続される。制御部７は、車両１００のイグニションスイッチがオンされたときに、バッテリー３から電源配線１３を介して電力が供給されることにより、起動する。

このような制御部７は、エンジンシステム１の作動中において、プラズマリアクター５を運転状態（ＯＮ状態）と停止状態（ＯＦＦ状態）とに切り替え可能としている。

また、制御部７は、水濡判定プログラム（図示せず）を備えている。

水濡判定プログラムは、後述するように、プラズマリアクター５の電荷量および通電時間から、プラズマリアクター５の水濡を検知するためのプログラムである。

より具体的には、水濡判定プログラム（図示せず）は、後述する電荷センサ１０により検知されるプラズマリアクター５の電荷量と、プラズマリアクター５に対する電力の供給開始からの通電時間に基づいて、プラズマリアクター５の電荷上昇係数を算出して、その電荷上昇係数が所定の閾値未満であるか閾値以上であるかを判断する。そして、プラズマリアクター５の電荷上昇係数が所定の閾値以上（異常値）である場合、制御部７は、プラズマリアクター５が水濡状態であると判断する。

一方、プラズマリアクター５の電荷上昇係数が閾値未満（正常値）である場合、制御部７は、プラズマリアクター５が水濡状態ではないと判断する。

（５）電荷センサ１０
電荷センサ１０は、高圧配線１１を介してプラズマリアクター５に接続され、プラズマリアクター５の電荷量を検知するためのセンサである。

電荷センサ１０としては、公知の電荷センサを用いることができる。電荷センサ１０により電荷量を検知する方法としては、例えば、電源装置４の昇圧トランスの電流値を電流センサで測定し、その積算量を、プラズマリアクター５の電荷量として検出する方法などが挙げられる。

また、電荷センサ１０は、信号配線１２を介して、制御部７に電気的に接続されており、検出された電荷量を、制御部７に入力可能としている。

２．プラズマリアクターの運転
プラズマリアクター５の運転について、図１および図２を参照して説明する。

車両１００では、エンジン２から排出される排ガスが、排気管１１を通過し、プラズマリアクター５に供給される。これにより、排ガスに含まれる有害成分（例えば、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）など）が、プラズマリアクター５に流入する。

一方、プラズマリアクター５には、バッテリー３から電源装置４を介して、電力が供給される。

バッテリー３から電源装置４を介してプラズマリアクター５に電力が供給されると、電源装置４のスイッチの通電時間ｔの経過に伴って、印加電圧Ｖが上昇する。そして、プラズマリアクター５に対する印加電圧Ｖが上昇すると、プラズマリアクター５の電荷量Ｑが上昇する（図２参照）。

このように、上記のプラズマリアクター５では、通電時間ｔの経過（上昇）に伴って印加電圧Ｖが上昇するため、非放電区間（後述）では、通電時間ｔと印加電圧Ｖとが比例関係となる。また、印加電圧Ｖの上昇（通電時間ｔの経過）に伴って電荷量Ｑが上昇するため、通電時間ｔ（印加電圧Ｖ）と電荷量Ｑとが比例関係となる。

その後、上記のプラズマリアクター５では、通電開始から所定の時間ｔが経過し、所定の電圧値に到達すると、プラズマリアクター５の電極パネル間で放電が開始される（以下、放電開始点Ｐ）。

そして、プラズマリアクター５の電極パネル間に放電が生じると、プラズマリアクター５内にプラズマが発生し、プラズマリアクター５に流入した有害成分（例えば、炭化水素（ＨＣ）など）は、プラズマにより分解（プラズマ分解）される。

なお、放電開始前（非放電区間）に比べて、放電中（放電区間）には、プラズマリアクター５の電荷量Ｑの上昇が急激になり、上記した通電時間ｔと電荷量Ｑとの比例関係が解消される。

３．水濡検出
上記のプラズマリアクター５は、排ガスが供給されることによって、内部温度が上下されるため、排ガスに含まれる水分が、プラズマリアクター５内で結露する場合があり、電極パネルが水濡する場合がある。水濡した電極パネルは、継続的な排ガス（高温ガス）の供給により乾燥される。しかし、エンジン２の運転状況によっては、電極パネルを十分に乾燥できない場合があり、そして、電極パネルの水濡れの度合いが大きい状態で、プラズマリアクター５において放電を惹起すると、漏電する場合がある。

そこで、上記のエンジンシステムでは、プラズマリアクター５の水濡状態を以下の方法で判断する。

より具体的には、放電開始点Ｐより前の領域（非放電区間）では、上記したように、通電時間ｔと電荷量Ｑとが比例関係となる。

このような比例関係において、通電時間ｔに対する電荷量Ｑの上昇の度合い（つまり、電荷量Ｑ−通電時間ｔの相関を示す一次関数グラフの傾き）は、プラズマリアクター５内の水濡の度合いによって異なる。

より具体的には、例えば、図２において太実線で示されるように、プラズマリアクター５内が非水濡状態（乾燥状態、または、水分が微量である状態）には、非放電区間において、単位時間あたりの電荷量Ｑの上昇量は、比較的少ない。

これに対して、図２において２点鎖線で示されるように、プラズマリアクター５内が水濡状態（水分が多量である状態）には、非放電区間において、単位時間あたりの電荷量Ｑの上昇量が、比較的多い。

換言すれば、プラズマリアクター５が非水濡状態であれば、非放電区間での単位時間あたりの電荷上昇量（以下、電荷上昇係数）が比較的小さく、また、プラズマリアクター５が水濡状態であれば、非放電区間での電荷上昇係数は比較的高くなる。

そこで、この制御では、水濡状態と非水濡状態とを区別するため、電荷上昇係数の閾値を予め設定して、電荷上昇係数が所定の閾値未満である場合には、プラズマリアクター５が非水濡状態であると判断する。また、電荷上昇係数が所定の閾値以上である場合には、プラズマリアクター５が水濡状態であると判断する。

より具体的には、上記のプラズマリアクター５では、予め、通電開始点（ｔ＝０）と、放電開始点Ｐとの関係が測定され、放電しない時間（非放電区間）が特定される。そして、その非放電区間において、種々の水濡の度合いにおける電荷上昇係数が、予め測定される。一方、種々の水濡の度合いに応じて、漏電の生じ易さが観測される。そして、漏電を生じ易い水濡の度合いが特定され、その水濡れの度合いに対応する電荷上昇係数が、制御部７において、閾値として設定される。

このようなエンジンシステム１において、上記したように、バッテリー３から電源装置４を介してプラズマリアクター５に電力が供給されと、プラズマリアクター５内で放電が開始するまでの間（非放電区間）において、プラズマリアクター５の電荷量Ｑが、電荷センサ１０によって検知される。

次いで、このエンジンシステム１では、制御部７によって、電荷センサ１０により検知される電荷量Ｑと、電源装置４のスイッチの通電時間ｔ（電力の供給開始からの通電時間ｔ）とに基づいて、単位時間あたりの電荷上昇量を示す電荷上昇係数が算出される。

つまり、電荷上昇係数は、非放電区間において、電荷量Ｑ−通電時間ｔの相関を示す一次関数グラフの傾きに相当する。より具体的には、非放電区間における電荷量Ｑと通電時間ｔとの関係式は、Ｑ＝ａｔ（ａ：電荷上昇係数、Ｑ：電荷量、ｔ：通電時間）で示される。

その後、この制御では、プラズマリアクター５の電荷上昇係数が閾値以上であるか否かが、制御部７によって判断される。なお、電荷上昇係数の閾値は、例えば、乾燥状態における電荷上昇係数の１．５倍である。

このとき、プラズマリアクター５の電荷上昇係数が、予め設定された閾値未満であると判断された場合には、プラズマリアクター５は、非水濡状態であると判断される。つまり、電荷上昇係数が所定値未満である場合には、プラズマリアクター５内が乾燥状態であるか、または、プラズマリアクター５内を濡らす水分が微量であると判断（予測）される。

この場合、漏電の可能性が低いと判断され、プラズマリアクター５の作動が継続される。

一方、プラズマリアクター５の電荷上昇係数が、予め設定された閾値以上であると判断された場合、制御部７は、プラズマリアクター５が水濡状態であると判断する。つまり、電荷上昇係数が所定値以上である場合には、プラズマリアクター５内を濡らす水分が多量であると判断（予測）される。

この場合、漏電の可能性が高いと判断され、プラズマリアクター５に対する電力の供給が停止される。これにより、漏電を生じやすい状態のプラズマリアクター５において、放電が中止されるため、漏電の発生が抑制される。

なお、上記のように水濡状態を判断（予測）するタイミングは、エンジンシステム１の作動中であれば、特に制限されない。

例えば、プラズマリアクター５の使用前（排ガス浄化前）に、予備運転として、プラズマリアクター５に電力を供給して、上記の制御により水濡状態を判断してもよい。

また、例えば、プラズマリアクター５の使用時（排ガス浄化時）に、本運転として、プラズマリアクター５に電力を供給して、上記の制御により水濡状態を判断してもよい。

好ましくは、プラズマリアクター５の使用前（排ガス浄化前）に、予備運転として、プラズマリアクター５に電力を供給して、上記の制御により水濡状態を判断する。

４．作用効果
以上のように、エンジンシステム１では、プラズマリアクター５に電圧が印加された後、放電が開始する前に、プラズマリアクター５の電荷量Ｑと、プラズマリアクター５に対する電力の供給開始からの通電時間ｔとに基づいて、単位時間あたりの電荷上昇量を示す電荷上昇係数が算出される。この放電前における電荷上昇係数は、プラズマリアクターの水濡の度合いに応じて高くなるため、電荷上昇係数から、プラズマリアクターの水濡の度合いを予測することができる。

そして、上記のエンジンシステム１では、放電前の電荷上昇係数が、所定の閾値以上である場合には、プラズマリアクター５の水濡の度合いが高いと判断して、プラズマリアクター５への電力の供給を停止する。

このようにして、上記のエンジンシステム１では、プラズマリアクター５が水濡状態である場合に、放電が開始する前にプラズマリアクター５を停止して、漏電を防止することができる。

なお、上記のプラズマリアクター５では、通電時間ｔと電荷量Ｑとが比例関係であるが、一方、通電時間ｔと、プラズマリアクター５に印加されている電圧Ｖとも比例関係である。つまり、通電時間ｔの経過に伴って印加電圧Ｖが上昇しており、また、印加電圧Ｖと電荷量Ｑとが比例関係である。

そのため、印加電圧Ｖと電荷量Ｑとの比例定数である静電容量Ｃは、上記の電荷上昇係数と同じ傾向を示しており、具体的には、静電容量Ｃが、プラズマリアクター５の水濡の度合いに応じて異なる。

そのため、上記のプラズマリアクター５において、電荷量Ｑおよび印加電圧Ｖを計測して、静電容量Ｃを算出し、その静電容量Ｃが所定値以上であるか所定値未満であるかを判断すれば、プラズマリアクター５が水濡状態であるか非水濡状態であるかを判定することもできる。

しかし、プラズマリアクター５に印加されている電圧Ｖを実測するには、高電圧プローブなどの高価な計測器が必要であるため、エンジンシステム１の高コスト化を惹起する。

これに対して、上記のエンジンシステムでは、電荷量Ｑと通電時間ｔに基づいて電荷上昇係数を算出することにより、プラズマリアクター５が水濡状態であるか非水濡状態であるかを判定するため、プラズマリアクター５に印加されている電圧Ｖを測定する必要がない。つまり、高価な計測器が必要ではなく、コスト性に優れる。

１ エンジンシステム
２ エンジン
３ バッテリー
５ プラズマリアクター
７ 制御部
１０ 電荷センサ

Claims (1)

1. エンジンと、
   バッテリーと、
   前記バッテリーから電力が供給され、前記エンジンから排出される排ガスに含まれる成分を分解するプラズマリアクターと、
   前記バッテリーから前記プラズマリアクターへの電力供給を制御する制御部と、
   前記プラズマリアクターに接続され、前記プラズマリアクターの電荷量を検知する電荷センサと
   を備え、
   前記制御部は、
   前記プラズマリアクターに対して電力が供給され、かつ、放電が開始する前に、
   前記電荷センサにより検知される電荷量と、前記プラズマリアクターに対する電力の供給開始からの通電時間とに基づいて、単位時間あたりの電荷上昇量を示す電荷上昇係数を算出し、
   前記電荷上昇係数が所定値以上である場合に、前記プラズマリアクターが水濡状態であると判断して、前記プラズマリアクターに対する電力の供給を停止する
   ことを特徴とする、エンジンシステム。

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