JP2023035098A - Exhaust purification device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust purification device.
従来、相対する一対の電極に交流電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置(プラズマリアクタ)の異常を検出するにあたり、放電電流の増加に基づいてプラズマリアクタの異常を検出するとともに、始動直後等、水分が多い場合に一時的に絶縁不良が発生することがあるため、排気温度が低い間は異常判定を停止することが公知である(例えば、特許文献1)。 Conventionally, in detecting an abnormality in an exhaust gas purification device (plasma reactor) that purifies exhaust gas using plasma generated by applying an AC voltage to a pair of facing electrodes, an abnormality in the plasma reactor is detected based on an increase in discharge current. is detected, and insulation failure may occur temporarily when there is a lot of moisture, such as immediately after starting, so it is known to stop abnormality determination while the exhaust temperature is low (for example, Patent Document 1) .
内燃機関の始動直後等の排気温が低い条件下では、機関本体より排出される水分の一部が凝縮した液体として存在し、その水分がプラズマリアクタの電極に付着すると、プラズマの生成が抑制され、プラズマによる排気の浄化が阻害される問題がある。特に、プラズマリアクタの内部に触媒を担持した触媒担持体を備え、触媒担持体に電極が挿入されている場合、触媒担持体のセルに水分が取り込まれ、水分が電極に付着し易くなる。 Under conditions where the exhaust temperature is low, such as immediately after starting the internal combustion engine, part of the moisture discharged from the engine body exists as a condensed liquid, and when this moisture adheres to the electrodes of the plasma reactor, plasma generation is suppressed. , there is a problem that purification of exhaust gas by plasma is hindered. In particular, when a plasma reactor is provided with a catalyst carrier that supports a catalyst, and electrodes are inserted into the catalyst carrier, water is taken into the cells of the catalyst carrier and tends to adhere to the electrodes.
上記特許文献に記載された技術では、始動直後等の排気温度が低い間は放電電流に基づく異常判定を停止しているが、電極に水分が付着することによりプラズマの生成が抑制さる問題に対処しておらず、改善の余地がある。 In the technology described in the above patent document, while the exhaust temperature is low, such as immediately after starting, the abnormality determination based on the discharge current is stopped. not, and there is room for improvement.
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、排気浄化装置の内部で放電を生じさせる電極が被水することにより放電に支障が生じることを抑制することが可能な排気浄化装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present disclosure is to provide an exhaust gas purification device capable of suppressing interference with discharge due to water exposure of electrodes that generate discharge inside the exhaust gas purification device. be.
本開示の要旨は以下のとおりである。
(1)内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置であって、
排気を浄化する触媒が担持された触媒担持体と、
排気流れ方向の下流側から前記触媒担持体に挿入され、高電圧が印加されて前記触媒担持体の内部に放電を生じさせる電極と、
を備え、
前記電極は、排気流れ方向の上流側から前記触媒担持体に流入する水分によって前記触媒担持体が被水される領域を避けて配置される、排気浄化装置。
The gist of the present disclosure is as follows.
(1) An exhaust purification device provided in an exhaust passage of an internal combustion engine,
a catalyst carrier on which a catalyst for purifying exhaust gas is carried;
an electrode that is inserted into the catalyst carrier from the downstream side in the direction of flow of the exhaust gas and that is applied with a high voltage to generate electric discharge inside the catalyst carrier;
with
The exhaust purification device, wherein the electrode is arranged to avoid a region where the catalyst carrier is wetted by moisture flowing into the catalyst carrier from the upstream side in the exhaust gas flow direction.
本開示によれば、排気浄化装置の内部で放電を生じさせる電極が被水することにより放電に支障が生じることを抑制することが可能となる。 Advantageous Effects of Invention According to the present disclosure, it is possible to prevent the discharge from being hindered due to the electrodes that generate discharge inside the exhaust purification device being wet.
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to the same constituent elements.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る内燃機関とその周辺の概略構成を示す模式図である。図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は排気マニホルドを夫々示す。排気マニホルド3の出口は排気管4aを介して触媒コンバータ16に連結される。触媒コンバータ16の出口は排気管4bを介して大気に開放されている。本実施形態では、触媒コンバータ16はプラズマ発生装置を備え、触媒コンバータ16には高電圧電極16bが挿入されている。電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)18は、高周波電源16dを制御することで高電圧電極16bに印加される電圧を制御する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine and its surroundings according to this embodiment. Referring to FIG. 1, 1 indicates an engine body, 2 indicates a combustion chamber of each cylinder, and 3 indicates an exhaust manifold. An outlet of the
図2は、触媒コンバータ16の構成を示す斜視図である。触媒コンバータ16は排気通路に設けられる排気浄化装置の一態様である。図2では、触媒コンバータ16の中にハニカム触媒16aが挿入された状態が模式的に示されている。ハニカム触媒16aには高電圧電極16bが挿入されている。高電圧電極16bには高周波電源16dから高周波の高電圧が印加される。一方、ハニカム触媒16aが挿入される触媒コンバータ16の外筒は接地されており、接地電極16cとされている。そして、高電圧電極16b、接地電極16c、および高周波電源16dによりプラズマ生成装置50が構成されている。高電圧電極16bは、排気流れ方向の下流側からハニカム触媒16aに挿入され、高電圧が印加されてハニカム触媒16aの内部に放電を生じさせる。
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the
ハニカム触媒16aは、排気浄化のための通常の触媒を有し、HCを酸化させて水と二酸化炭素に、COを酸化させて二酸化炭素に、そしてNOxを還元して窒素と酸素に、それぞれ変換する。このため、ハニカム触媒16aは、触媒成分としてPt(白金)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)などの貴金属を有している。
The
高電圧電極16bに高周波の高電圧が印加されると、高電圧電極16bの外側に向けて、高電圧電極16bと接地電極16cとの間に放電電流30が流れ、プラズマが発生する。そして、プラズマにより排気中の窒素酸化物(NOx)が窒素と酸素に分解され、排気浄化性能が向上される。特に、内燃機関の始動直後等の排気温が低い条件下(例えば、100℃以下)では、ハニカム触媒16aによる排気浄化性能が十分に得られないが、プラズマ生成装置50によれば、ハニカム触媒16aが暖気される前においても排気が浄化されるので、特に内燃機関の始動時において排気浄化性能が向上される。
When a high frequency high voltage is applied to the
より詳細には、高電圧電極16bと接地電極16cの間に高周波の高電圧が印加されると、放電によって電極を構成する材料の原子から電子が飛び出し、ハニカム触媒16a内において電子が拡散し、ハニカム触媒16a内を流れるNOx等の浄化対象ガスと衝突する。この電子の衝突によってNOx等のガス成分は状態が不安定となり、以下の式(1)、式(2)によりN,Oなどのラジカル種に分解される。また、排気中に存在する水分に電子が作用することでヒドロキシルラジカルなどのラジカル種が生成される。
More specifically, when a high-frequency high voltage is applied between the high-
O2+e-→O-+O ・・・(1)
NO+e-→N+O- ・・・(2)
O 2 +e − →O − +O (1)
NO + e - → N + O - (2)
生成されたラジカル種は、ハニカム触媒16aの触媒の作用により、例えば以下の式(3)、(4)式により酸素、窒素が発生する。この結果、排気中のNOxが減少する。なお、式(3)、式(4)において、Mは触媒を示している。また、ヒドロキシルラジカルは排気中のHCを酸化する。
Oxygen and nitrogen are generated from the generated radical species by the catalytic action of the
O+O→O2 ・・・(3)
M
N+N→N2 ・・・(4)
M
O+O→O 2 (3)
M.
N+N→N 2 (4)
M.
ところが、内燃機関の始動直後等の排気温が低い条件下では、機関本体1より排出される水分の一部が凝縮した液体として存在し、その水分が高電圧電極16b、接地電極16cに付着し、プラズマが正常に発生しなくなる場合がある。このような場合、プラズマ生成装置50により排気を浄化することができなくなる。
However, under conditions where the exhaust temperature is low, such as immediately after starting the internal combustion engine, part of the moisture discharged from the
図3は、機関本体1より排出される水分により触媒コンバータ16が被水し、水分が高電圧電極16b、接地電極16cに付着することによって、高電圧電極16bと接地電極16cがショートした状態を示す概略断面図である。図3に示すように、水分は機関本体1から流れるため、触媒コンバータ16内において、排気の流れ方向の上流側が被水する。より具体的には、図3に示す例では、排気の流れ方向において、触媒コンバータ16の上流側の端部から距離Aの領域が被水しており、被水領域10となっている。排気の流れ方向において、被水領域10よりも下流側の距離Bの領域は被水していない乾燥領域である。被水領域10では、高電圧電極16bと接地電極16cが被水することによって高電圧電極16bと接地電極16cがショートする。図3では、高電圧電極16bと接地電極16cがショートすることによって意図しない放電(スパーク20)が発生した状態が示されている。
FIG. 3 shows a state in which the
ハニカム触媒16aは、排気が流れる複数のセルを有し、排気を浄化する触媒が担持された触媒担持体の一態様であって、セラミック、ステンレス等からなるセルの内壁(担体)に触媒が担持されて構成される。セルは排気が通過する空気層であり、セルの内壁には細孔が設けられている。このため、上流側から液体の水分が流れてくると、セルの内壁の細孔に液体の水分が取り込まれ、更にセルに液体の水分が取り込まれることで被水領域10が発生する。被水領域10に高電圧が印加される一対の電極が挿入されていると、電極間が短絡して大電流が流れる。このような大電流が流れることによって、放電してほしい箇所(触媒セル)に電流が流れなくなる、電源が過負荷状態となり場合によっては電源が壊れる、等の問題が生じる。
The
被水によって高電圧電極16bと接地電極16cがショートしてしまうと、プラズマを生成することができなくなる。また、高電圧電極16bと接地電極16cが完全にショートしていなくても、高電圧電極16bが被水している状態では、プラズマの生成が抑制され、プラズマが正常に発生しなくなる。したがって、被水により排気浄化性能が低下する。
If the high-
本実施形態では、被水領域10に対する電極の配置が最適化され、高電圧電極16bは、排気流れ方向の上流側からハニカム触媒16aに流入する水分によってハニカム触媒16aが被水される被水領域10を避けて配置される。図4は、図3のように被水領域10が発生する場合に、被水領域10を避けるように高電圧電極16bが配置された例を示す概略断面図である。図4に示す例では、高電圧電極16bの長さが図3の例よりも短縮されており、高電圧電極16bが被水領域10に侵入しないように構成されている。より具体的には、高電圧電極16bの先端は被水領域10よりも下流側に位置するように配置されている。触媒コンバータ16内の被水領域10の範囲(距離A)は設計段階で把握することができ、また実験により把握することができる。
In this embodiment, the arrangement of the electrodes with respect to the wetted
上述したように、触媒コンバータ16が被水するのは、内燃機関の始動直後等の排気温が低い条件下においてである。始動直後に機関本体1から液体として流れてくる水分の量は、運転状態(排気温度、燃料噴射量など)によって変化し得るものの、ある運転状態に応じた一般的な水分量として求めることができ、被水領域10の範囲は、これに基づいて設計的または実験的に予め求められている。内燃機関が暖気されて排気温が上昇すると、機関本体1から流れてくる水分は水蒸気となる。したがって、排気温が上昇すると、触媒コンバータ16が新たに被水されることはない。また、既に液体の水分が付着した被水領域10においても、排気温が上昇すると水分が水蒸気となって下流に流れる。したがって、設計的または実験的に予め求められた被水領域10の範囲(図4に示す距離A)は、より下流側に拡大することはない。
As described above, the
したがって、高電圧電極16bを排気の流れ方向の下流側から挿入し、高電圧電極16bの先端を被水領域10よりも下流側に配置することで、被水領域10を避けるように高電圧電極16bを配置することが可能である。これにより、高電圧電極16bが被水することがなく、プラズマが正常に発生する。
Therefore, by inserting the high-
図5は、高電圧電極16bと接地電極16cとの間に流れる放電電流の波形を示す特性図である。ここで、実線で示す特性C1は高電圧電極16bが触媒コンバータ16の被水領域10を避けるように配置された場合(図4)の放電電流波形を示しており、破線で示す特性C2は高電圧電極16bが被水している場合の放電電流波形を示している。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the waveform of the discharge current flowing between the
図5の実線の特性C1に示すように、高電圧電極16bが被水していない場合、放電電流波形はパルス状となる。この場合、プラズマが正常に発生する。
As shown by the solid line characteristic C1 in FIG. 5, when the
一方、図5の破線の特性C2に示すように、高電圧電極16bが被水している場合、放電電流波形はパルス状とならず、プラズマは発生しない。したがって、高電圧電極16bが被水していなければ、プラズマの発生が可能であることが判る。
On the other hand, when the high-
以上のように、高電圧電極16bが被水しているか否かは、高電圧電極16bと接地電極16cとの間に流れる放電電流の波形から判定することができ、放電電流波形がパルス状であれば高電圧電極16bが被水していないと判定することができる。なお、高電圧電極16bが被水して高電圧電極16bと接地電極16cがショートした場合は、高電圧電極16bと接地電極16cとの間に流れる放電電流が過度に増大するため、高電圧電極16bが被水しているか否かは、放電電流の値が所定値を超えたことによって判定することもできる。
As described above, whether or not the high-
図3及び図4では、排気の流れ方向と直交する方向では被水領域10が偏りなく生じる場合を示したが、被水領域10は、重力の影響により、または機関本体1と触媒コンバータ16とを接続する排気管4aの形状(排気管4aの曲がり具合)等に応じて、排気の流れ方向と直交する方向において、触媒コンバータ16の中心軸から外周側に偏って発生する場合がある。より具体的には、被水領域10は、触媒コンバータ16内において、重力方向で下側に発生する場合がある。また、被水領域10は、排気の流れ方向と直交する方向において、触媒コンバータ16の上流側の排気管4aの曲げ外側に相当する方向に発生する場合がある。
3 and 4 show the case where the
図6は、被水領域10が排気の流れ方向と直交する方向で偏って発生した場合を示す概略断面図である。図6に示す例では、被水領域10が、排気の流れ方向と直交する方向において、下方向に偏って発生している。この場合においても、高電圧電極16bが被水するとプラズマが正常に発生しなくなる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a case where the wetted
図7は、図6のように被水領域10が発生する場合に、被水領域10を避けるように高電圧電極16bが配置された例を示す概略断面図である。被水領域10は排気の流れ方向と直交する方向において下方向に偏って発生しているため、高電圧電極16bは、排気の流れ方向と直交する方向において、被水領域10から遠ざけるように外周方向(上方向)にオフセットして配置されている。これにより、高電圧電極16bが被水することがなく、高電圧電極16bと接地電極16cがショートすることがない。したがって、プラズマが正常に発生する。なお、図7に示す例では、高電圧電極16bを被水領域10よりも上側に配置することで高電圧電極16bが被水しなくなるため、図4の例のように高電圧電極16bの長さが短縮されなくてよい。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the high-
図8は、複数の高電圧電極が設けられた例を示す概略断面図である。図8では、図7の例において、排気の流れ方向と直交する方向において被水領域10よりも上側に配置された高電圧電極16bに加えて、高電圧電極16bよりも下側に高電圧電極16b’が配置されている。高電圧電極16b’の長さは上側に配置された高電圧電極16bよりも短縮されており、高電圧電極16b’が被水領域10に侵入しないように構成されている。これにより、高電圧電極16b’が被水することがなく、高電圧電極16b’と接地電極16cがショートすることがない。したがって、プラズマが正常に発生する。このように、複数の高電圧電極を備える場合は、被水領域10を避けるように各高電圧電極が配置される。なお、プラズマ生成装置50が複数の高電圧電極を備える場合、各高電圧電極と接地電極16cとの距離が短くなるので、放電に必要な電圧を低下させることができる。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example in which a plurality of high voltage electrodes are provided. 8, in the example of FIG. 7, in addition to the
図9は、被水領域10の大きさに応じて高電圧電極16bへの電圧のオン/オフを切り換える制御を説明するための模式図である。高電圧電極16bは上述した機関本体1から流れてくる一般的な水分量から求められた被水領域10を避けて配置されるが、図9に示す電圧のオン/オフ制御を行うことにより、高電圧電極16bに被水領域10が到達してしまった場合であっても、高電圧電極16bが被水している間は高電圧電極16bへの電圧の印加が停止される。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the control of switching ON/OFF of the voltage to the
図9では、上から順に、触媒温度、被水領域10の大きさ、高電圧電極16bへの電圧印加のオン/オフの制御が示されている。また、図9の最下段には、触媒コンバータ16内における被水の状態が時間の経過に伴って変化する様子が図示されている。
FIG. 9 shows, in order from the top, the catalyst temperature, the size of the wetted
図9において、時刻t0で内燃機関が始動される。内燃機関の始動直後からプラズマ生成装置50の高電圧電極16bに高電圧が印加され、プラズマ生成装置50が生成したプラズマにより触媒コンバータ16を通る排気が浄化される。
In FIG. 9, the internal combustion engine is started at time t0 . A high voltage is applied to the
内燃機関が始動した時刻t0の時点では、被水領域10は発生していないが、時間の経過とともに被水領域10が拡大していく。また、ハニカム触媒16aの温度は、時刻t0以降、時間の経過とともに上昇する。
At time t0 when the internal combustion engine is started, the
時刻t1の時点では、被水領域10の大きさは小さく、被水領域10は高電圧電極16bの先端に達していない。このため、高電圧電極16bへの高電圧の印加は引き続き行われる。
At time t1, the size of the
時刻t2の時点では、被水領域10の大きさが大きくなり、被水領域10は高電圧電極16bの先端に達する。上述したように、高電圧電極16bが被水していない状態では、高電圧電極16bと接地電極6c間を流れる電流の波形はパルス状であるが、高電圧電極16bが被水すると、高電圧電極16bと接地電極6c間を流れる電流の波形はパルス状とならない。
At time t2, the size of the
このため、ECU18は、高電圧電極16bと接地電極6c間を流れる電流を取得し、時刻t2の時点で電流の波形がパルス状でなくなると、高電圧電極16bへの高電圧の印加を停止させる。なお、高電圧電極16bと接地電極6c間を流れる電流は電流計によって検出される。
Therefore, the
また、上述したように、高電圧電極16bが被水して高電圧電極16bと接地電極16cがショートした場合は、高電圧電極16bと接地電極16cとの間に流れる放電電流が過度に増大する。したがって、ECU18は、高電圧電極16bと接地電極6c間を流れる電流が所定値以上となった場合に高電圧電極16bへの高電圧の印加を停止させてもよい。
Further, as described above, when the
その後、触媒温度が100℃程度に達すると、被水領域10の水分が蒸発していく。これにより、被水領域0の大きさが縮小していき、時刻t3で高電圧電極16bが被水していない状態になる。
After that, when the catalyst temperature reaches about 100° C., the moisture in the
このため、ECU18は、触媒温度が100℃に到達すると、あるいは、触媒温度が100℃に到達してから所定時間が経過すると、高電圧電極16bへの高電圧の印加を再開させる。なお、触媒温度は触媒コンバータ16の温度を検出する触媒温度センサによって検出される。ECU18は、高電圧電極16bへの高電圧の印加を停止した後、所定時間の経過後に、高電圧電極16bへの高電圧の印加を再開させてもよい。
Therefore, when the catalyst temperature reaches 100.degree. C. or when a predetermined time elapses after the catalyst temperature reaches 100.degree. Note that the catalyst temperature is detected by a catalyst temperature sensor that detects the temperature of the
時刻t3以降では、触媒温度が100℃以上であるため、被水領域10が生じることはない。このため、時刻t3以降は高電圧電極16bへ高電圧を印加した状態が継続される。
After time t3, since the catalyst temperature is 100° C. or higher,
以上のように、内燃機関の始動直後に高電圧電極16bへの電圧のオン/オフを切り換えることで、高電圧電極16bが被水した場合は高電圧の印加を停止することが可能となる。また、被水領域10の水分が蒸発して被水が解消した場合は、高電圧電極16bへの高電圧の印加を再開することができる。
As described above, by switching on/off the voltage to the
以上説明したように本実施形態によれば、プラズマ生成装置50の高電圧電極16bが、排気流れ方向の下流側からハニカム触媒16aに挿入され、ハニカム触媒16aの上流側の被水領域10を避けて配置される。したがって、内燃機関の始動時に機関本体1から流れる水分によって高電圧電極16bが被水することが抑制される。これにより、内燃機関の始動時にプラズマを生成することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the high-
また、高電圧電極16bが被水領域10を避けるように配置されているため、内燃機関の始動直後に、放電電流に基づいてプラズマ生成装置50の異常を判定することが可能であり、プラズマ生成装置50に異常が生じている場合は高電圧電極16bへの通電を停止することが可能となる。
Further, since the high-
(変形例)
以上説明した実施形態では、高電圧電極16bの被水を避けるため、高電圧電極16bは被水領域10を避けるように配置される。一方、高電圧電極16bの被水を避けるため、触媒コンバータ16よりも上流側に水分を吸着する吸着剤が設けられてもよい。この場合、機関本体1から触媒コンバータ16に流れる水分は吸着材に吸着されるため、触媒コンバータ16内において高電圧電極16bが被水することが抑制される。
(Modification)
In the embodiment described above, the
1 機関本体
3 排気マニホルド
4a 排気管
4b 排気管
6c 接地電極
10 被水領域
16 触媒コンバータ
16a ハニカム触媒
16b 高電圧電極
16b’ 高電圧電極
16c 接地電極
16d 高周波電源
18 電子制御装置(ECU)
20 スパーク
30 放電電流
50 プラズマ生成装置
20
Claims (1)
排気を浄化する触媒が担持された触媒担持体と、
排気流れ方向の下流側から前記触媒担持体に挿入され、高電圧が印加されて前記触媒担持体の内部に放電を生じさせる電極と、
を備え、
前記電極は、排気流れ方向の上流側から前記触媒担持体に流入する水分によって前記触媒担持体が被水される領域を避けて配置される、排気浄化装置。 An exhaust purification device provided in an exhaust passage of an internal combustion engine,
a catalyst carrier on which a catalyst for purifying exhaust gas is carried;
an electrode that is inserted into the catalyst carrier from the downstream side in the direction of flow of the exhaust gas and that is applied with a high voltage to generate electric discharge inside the catalyst carrier;
with
The exhaust purification device, wherein the electrode is arranged to avoid a region where the catalyst carrier is wetted by moisture flowing into the catalyst carrier from the upstream side in the exhaust gas flow direction.
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