JP3680663B2

JP3680663B2 - プラズマ排気ガス処理装置

Info

Publication number: JP3680663B2
Application number: JP29772699A
Authority: JP
Inventors: 保樹田村; 修中山; 一雄古賀
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: US6532733B1; KR20010070145A; JP2001115823A; KR100440757B1; DE10052202A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスの複数の排気ガス成分を最小限の消費電力で除去することができるプラズマ排気ガス処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車の内燃機関（エンジン）の排気ガスに含まれる排気ガス成分（有害成分）を除去する装置として、各種触媒装置が開発されている。触媒装置としては各種装置が知られているが、有害成分の中で窒素酸化物（NO_x) を除去する装置として、コロナ放電（プラズマ）を利用したプラズマ排気ガス処理装置が知られている（特開平5-59934 号公報参照）。プラズマ排気ガス処理装置は、排気通路に設けられた放電管に電力を供給して排気ガスをプラズマ状態にし、排気ガスに含まれるNO_xを無害成分である窒素と酸素に分解する装置である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
自動車は低速から高速まで幅広い運転条件で使用されるため、自動車のエンジンから排出される排気ガスの排出量または濃度や各種有害成分は幅広く変化する。従来のプラズマ排気ガス処理装置は、排出されるNO_x量に応じて供給電力を制御し、幅広い運転条件でNO_xを無害な窒素と酸素に分解することができる。しかし、排気ガスには、NO_x以外にも炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、イオウ酸化物、窒素炭化物、イオウ炭化物等の有害成分が含まれており、有害成分の種類によりプラズマ排気ガス処理装置で分解される消費電力が異なっているため、従来のNO_x量に応じて供給電力を制御するプラズマ発生装置では、複数の有害成分が含まれる排気ガスを十分に浄化できない問題があった。
【０００４】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、内燃機関の排気ガスに含まれる複数の排気ガス成分を最小限の消費電力で除去することができるプラズマ排気ガス処理装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明では、内燃機関の排気通路に設けられ電力が供給されることによりプラズマを発生して排気ガス成分の浄化を行なうプラズマ発生装置と、内燃機関からの排気ガスに含まれる少なくとも２種類の排気ガス成分の排出状況を検出または推定する排気ガス状態検知手段とを備え、供給電力制御手段により、排気ガス成分を所定の基準以下までにプラズマ発生装置で浄化させるのに必要な電力状況を各排気ガス成分毎に求め、最大の値の電力状況の電力をプラズマ発生装置に供給するようにし、運転状態に応じて複数の排気ガス成分を必要最小限の電力供給により除去するようにしたものである。
【０００６】
そして、プラズマ発生装置で浄化させるのに必要な電力状況は、具体的には、プラズマ発生装置での消費エネルギーであり、複数の排気ガス成分をそれぞれ所定の基準以下までに浄化させるために必要な各消費エネルギーのうち、最大の消費エネルギーが得られる電力を求め、求めた電力をプラズマ発生装置に供給するようにする。また、排気ガス状態検知手段は、内燃機関の運転状態に基づくマップにより設定された値から排気ガスの状態、例えば、排気ガス量または濃度や排気ガス成分の状態を推定することが好ましい。また、センサを用いて排気ガス量や排気ガス成分の状態を直接実測して検出することもできる。制御に用いる排気ガス量または濃度は、瞬時値を適用したり、ある所定期間、または走行距離、または所定燃料消費期間の検出総和値もしくは平均検出値を適用する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施形態例を説明する。図示の実施形態例は、燃焼室内に燃料を直接噴射するようにした火花点火式の多気筒型筒内噴射内燃機関を例に挙げて説明してある。図１には本発明の一実施形態例に係るプラズマ排気ガス処理装置を備えた内燃機関の概略構成、図２には供給電力制御手段のブロック構成、図３にはプラズマ発生装置における有害成分の分解量と消費エネルギーとの関係、図４には電力供給制御のフローチャートを示してある。
【０００８】
図１に示すように、筒内噴射エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、図１では時計回りの逆タンブル流を発生させるようになっている。
【０００９】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成され、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド９の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド９の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁（ＥＴＶ）２１が接続され、ＥＴＶ２１にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ２２が設けられている。また、筒内噴射エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２３が設けられ、クランク角センサ２３はエンジン回転速度Neを検出可能となっている。更に、筒内噴射エンジン１には、冷却水温を検出する水温センサ１５が設けられている。
【００１０】
また、シリンダヘッド２には各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成され、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、排気マニホールド１０には図示しないＥＧＲ装置が設けられている。一方、排気マニホールド１０には排気管１１が接続され、排気管１１には排気ガス中の複数の排気ガス成分（有害成分）を除去するプラズマ発生装置１３が装着され、プラズマ発生装置１３を介して図示しないマフラーが接続されている。
【００１１】
車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が設けられ、このＥＣＵ３１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ３１によって筒内噴射エンジン１を含めた本実施形態のプラズマ発生装置１３の総合的な制御が実施される。前述したスロットルポジションセンサ２２、クランク角センサ２３、水温センサ１５や、車速センサ、吸気温センサ、O₂センサ等の各種センサ類の検出情報はＥＣＵ３１に入力され、ＥＣＵ３１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期等を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３等を駆動制御する。
【００１２】
ＥＣＵ３１では、スロットルポジションセンサ２２からのスロットル開度θthとクランク角センサ２３エンジン回転速度Ne及び水温センサ１５からの水温とに基づいてエンジンの負荷Peが求められ、更に、この負荷Peとエンジン回転速度Neとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードが設定される。例えば、負荷Peとエンジン回転速度Neとが共に小さいときは、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、負荷Peが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Neが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、負荷Peとエンジン回転速度Neとから各燃料噴射モードでの制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
【００１３】
筒内噴射エンジン１では、吸気マニホールド９から燃焼室５内に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中期以降に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍のみをストイキ又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制する。
【００１４】
また、筒内噴射エンジン１から高出力を得る場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に均質化し、燃焼室５内をストイキやリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼を行う。もちろん、ストイキもしくはリッチ空燃比の方がリーン空燃比よりも高出力が得られるため、この際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようにしている。
【００１５】
プラズマ発生装置１３を説明する。
【００１６】
放電管４１内に接地極４２が配置され、放電管４１と接地極４２には電圧制御器４３より電力が制御されて供給され、放電管４１と接地極４２の間に電圧が印加される。放電管４１と接地極４２の間に電圧が印加されることで、放電管４１内を通過する排気ガスをプラズマ状態にし、排気ガスに含まれる複数の有害成分を無害な成分に分解して除去する。電圧制御器４３で制御されてプラズマ発生装置１３で有害成分を除去するために必要な消費エネルギーに相当する電力がプラズマ発生装置１３に供給される。
【００１７】
排気ガス量や有害成分の状態、即ち、排気ガスに含まれる有害成分の種類や量は、運転状態によって種々変化する。つまり、運転状態によって有害成分である窒素酸化物（NO_x) 、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、イオウ酸化物、硫化水素(H₂S) 、アンモニア(NH₃) 、窒素炭化物、イオウ炭化物等の有害成分の種類や量が種々変化する。そして、プラズマ発生装置１３で有害ガスを分解するために必要な消費エネルギーは有害成分の種類や量により異なる。
【００１８】
そこで、本実施形態例では、ＥＣＵ３１の供給電力制御手段には、排ガス状態検知手段が備えられている。更に、ＥＣＵ３１の供給電力制御手段には、排気ガス状態検知手段の検知状態に基づき有害成分を所定の基準以下までにプラズマ発生装置１３で浄化させるのに必要な電力状況である消費エネルギーを各有害成分毎に求め、求められた各消費エネルギーのうち最大の消費エネルギーに必要な電力を求め、最大の消費エネルギーに必要な電力がプラズマ発生装置１３に供給されるように電圧制御器４３に指令を出力する機能が備えられている。
【００１９】
図２に基づいてＥＣＵ３１における供給電力制御手段のブロック構成を説明する。
【００２０】
ＥＣＵ３１には排気ガス状態検知手段５１が備えられ、排気ガス状態検知手段５１には負荷Pe、エンジン回転速度Ne、車速及び吸気温度等の情報が入力される。排気ガス状態検知手段５１ではこれらの情報に基づいて運転状態を判断し、排ガス状態検知手段５１には運転状態のマップとして排気ガスに含まれる２種類の有害成分Ａ，Ｂの量を検出する。例えば、有害成分Ａ（NO_x) ，Ｂ(THC) がその量と共に検出される。排気ガス状態検知手段５１で検出された有害成分Ａ，Ｂの情報は必要消費エネルギー演算手段５２に入力される。
【００２１】
尚、検出する有害成分の種類は少なくとも２種類以上であればよく、有害成分の検出は、上述した２種類だけでなく、例えば、CO, SO_X,H₂S,NH₃,N₂O等を追加することも可能である。また、排気ガス状態の検知として、排気ガスセンサを用いて排気ガスの種類や量を実測もしくは推測することも可能である。制御用としては、瞬時値を適用したり、ある所定期間、または走行距離、または所定燃料消費期間の検出総和値もしくは平均検出値を適用する。
【００２２】
必要消費エネルギー演算手段５２には、プラズマ発生装置１３での有害成分Ａ，Ｂの分解量と消費エネルギーとの関係（図３参照）、及び地域等により規制される有害成分の排出許容量の情報が予め記憶されている。必要消費エネルギー演算手段５２では、プラズマ発生装置１３で有害成分Ａ，Ｂをそれぞれ分解するために必要な消費エネルギーが個別に演算される。つまり、現在の排気ガスにおける有害成分Ａ，Ｂのそれぞれの量において、排出許容量（所定の基準値）以下にプラズマ発生装置１３で分解できる消費エネルギー｛Ａ｝，｛Ｂ｝がそれぞれ演算される。
【００２３】
消費エネルギー｛Ａ｝，｛Ｂ｝は、有害成分Ａ，Ｂの必要分解量ΔＡ，ΔＢが演算され、これに基づいて図４のグラフにより求められる。必要分解量ΔＡ，ΔＢは、それぞれ、１−（所定値／排出量）もしくは（所定値／排出量）もしくは（排出量−所定値）として演算される。この場合の所定値は、運転条件（負荷Pe、エンジン回転速度Ne、車速、有害排ガス値、排気Ａ／Ｆ、水温び吸気温度等）のマップとして予め記憶されている。
【００２４】
必要消費エネルギー演算手段５２で演算された消費エネルギー｛Ａ｝，｛Ｂ｝は最大値識別手段５３に入力され、最大値識別手段５３では消費エネルギーの最大値｛max ｝が識別される。最大値識別手段５３で識別された消費エネルギーの最大値｛max ｝は供給電力値演算手段５４に入力され、消費エネルギーの最大値｛max ｝に必要な供給電力値が演算される。供給電力値演算手段５４からは演算された必要な供給電力値がプラズマ発生装置１３に供給されるように電圧制御器４３に制御指令が出力される。
【００２５】
消費エネルギーの最大値｛max ｝に基づく電圧制御器４３での供給電力の制御方法は、スイッチングによるオン・オフ制御や、応答遅れを考慮して比例・積分・微分制御の少なくとも一つを用いた制御が実施される。また、プラズマによる排気ガス成分浄化のモデルを用いて比較を行なう制御を用いることも可能であり、また、これらの全ての制御の組み合わせでもよい。
【００２６】
上述したプラズマ排気ガス処理装置の作用を図４に基づいて説明する。
【００２７】
排ガス状態検知手段５１に各種センサ値が読み込まれ、２種類の有害成分Ａ，Ｂの量が検出される。有害成分Ａ，Ｂの量が検出されると、必要消費エネルギー演算手段５２で消費エネルギー｛Ａ｝，｛Ｂ｝がそれぞれ演算され、最大値識別手段５３で消費エネルギー｛Ａ｝，｛Ｂ｝のうち最大の消費エネルギー｛max ｝が識別される。最大の消費エネルギー｛max ｝が識別された後、消費エネルギーの最大値｛max ｝に必要な電力値が演算される。供給電力値演算手段５４からは演算された必要な供給電力値がプラズマ発生装置１３に供給されるように電圧制御器４３に制御指令が出力される。
【００２８】
上述したプラズマ排気ガス処理装置では、筒内噴射エンジン１からの排気ガスに含まれる２種類の有害成分の排出状況を運転状態に応じて検出し、３種類の有害成分を所定の基準以下までにプラズマ発生装置１３で浄化させるのに必要な消費エネルギーを各有害成分毎に求め、最大の値の消費エネルギーとなるように電圧制御器４３に制御指令を与えてプラズマ発生装置１３に電力を供給するようにしたので、運転状態に応じて２種類の有害成分を必要最小限の消費電力により除去することができる。このため、排気ガスの排出状態に拘らず燃費の悪化を抑えて２種類の有害成分を効率良く浄化することが可能になる。
【００２９】
上記実施形態例では、プラズマ排気ガス処理装置を適用する機関として、燃焼室内に燃料を直接噴射するよようにした火花点火式の機関を例に挙げて説明したが、ディーゼルエンジンや、吸気管に燃料を噴射し混合気を燃焼室に導入する火花点火式のエンジンに適用することも可能である。また、上記実施形態例では、排気ガス成分の量に基づいて消費エネルギーを演算したが、排気ガス成分の濃度に基づいて消費エネルギーを演算することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のプラズマ排気ガス処理装置は、運転状態に応じて複数種類の排気ガス成分の量または濃度を検知し、複数種類の排気ガス成分をそれぞれ除去するために必要な電力状況を個別に求め、最大の電力状況を識別してプラズマ発生装置に供給するようにしたので、運転状態に応じて複数種類の排気ガス成分を必要最小限の消費電力により除去することができる。このため、排気ガス量や状況に拘らず燃費の悪化を抑えて複数種類の排気ガス成分を効率良く浄化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係るプラズマ排気ガス処理装置を備えた内燃機関の概略構成図。
【図２】供給電力制御手段のブロック構成図。
【図３】プラズマ発生装置における有害成分の分解量と消費エネルギーとの関係を表すグラフ。
【図４】電力供給制御のフローチャート。
【符号の説明】
１筒内噴射エンジン
１１排気管
１３プラズマ発生装置
３１電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４３電圧制御器
５１排気ガス状態検知手段
５２消費エネルギー演算手段
５３最大値識別手段
５４供給電力値演算手段

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ電力が供給されることによりプラズマを発生して排気ガス成分の浄化を行なうプラズマ発生装置と、内燃機関からの排気ガスに含まれる少なくとも２種類の排気ガス成分の排出量または濃度を検出または推定する排気ガス状態検知手段と、排気ガス状態検知手段の検知状態に基づき排気ガス成分を所定の基準以下までにプラズマ発生装置で浄化させるのに必要な電力状況を各排気ガス成分毎に求めると共に求められた各電力状況のうち最大の値の電力状況の電力をプラズマ発生装置に供給する供給電力制御手段とを備えたことを特徴とするプラズマ排気ガス処理装置。