JP4162911B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、特にエンジンの排気に含まれるすす、燃料やエンジンオイルの燃えかすである可溶有機成分（ＳＯＦ：Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）等の粒子状物質（以下「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という。）を浄化するのに用いて好適な排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
内燃機関の開発及び使用においては、内燃機関からの有害な排気物質を浄化することが重要ある。特にディーゼル機関の場合、排気中に有害なＰＭが含まれており、ＰＭをどのように浄化するかが問題となっている。
【０００３】
特開２００１−２０７２１号公報では、圧力損失を増大させることなく、粒子径の小さなＰＭを捕集効率を上げるディーゼルパティキュレートフィルタシステム（以下「従来技術１」という。）が提案されている。
【０００４】
従来技術１は、所定間隔を隔てて配設された導電性材料からなる複数のフィルタに対して、極性の異なる直流電圧を印加することでＰＭを帯電させ、粒子径の小さいなＰＭを静電的に捕集するものである。
【０００５】
しかし、従来技術１は、フィルタを電極として用いているので、奇数個のフィルタを使用する場合ではフィルタの極性が逆になる部分が生じ、ＰＭを十分に捕集することができないことがある。また、ＰＭ排出量を考慮することなくフィルタに高電圧を常時印加しているので、消費電力が大きくなってしまう問題があった。
【０００６】
特開２００１−４１０２４号公報では、排気中のＰＭを衝突させて粒径を大きくすると共に負に帯電させて、正の帯電体を構成する金網によって電気的に捕集し、さらに金網を通過したＰＭを機械的なフィルタで捕集する電荷型のディーゼルパティキュレートフィルタ装置（以下「従来技術２」という。）が提案されている。
【０００７】
しかし、従来技術２は、帯電部と捕集部が１組だけ設けられた構成であるので、捕集部で捕集されなかったＰＭについては、そのまま外部に排出されてしまい、ＰＭを完全に浄化することができない問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、消費電力を抑制し、効率的かつ確実にＰＭを含む排気を浄化することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、前記帯電手段の対極として前記帯電手段より排気下流側に設けられ前記帯電手段で帯電された粒子状物質を捕集する捕集手段と、前記捕集手段で捕集された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、を有し、排気の流れ方向に複数個配置された排気浄化機構と、前記各排気浄化機構の粒子状物質の堆積量を計測する堆積量計測手段と、前記堆積量計測手段で計測された堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きいときに、前記所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させ、前記所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御する制御手段と、を備えている。
【００１０】
請求項１記載の発明では、帯電手段は、高電圧を印加することによって、エンジンの排気に含まれる粒子状物質を帯電させる。ここでは、直流の負電圧を印加することで、粒子状物質を負極に帯電させるのが好ましい。
【００１１】
捕集手段は、粒子状物質を捕集するものであれば特に限定されないが、例えばメッシュ状に構成され、かつ接地されているのが好ましい。捕集手段は、静電的に粒子状物質を捕集するので、網目より細かい粒子状物質であっても捕集することができる。そして、燃焼手段は、捕集手段に捕集され堆積された粒子状物質を燃焼させて浄化する。
【００１２】
排気浄化機構は、帯電手段、捕集手段及び燃焼手段を有していて、排気の流れの方向に直列に複数個設けられている。これにより、前段の排気浄化機構で捕集できなかった粒子状物質についても、後段の排気浄化機構で捕集することができる。
堆積量計測手段は、各排気浄化機構の粒子状物質の堆積量を計測する。ここにいう堆積量は、実際の堆積量に限らず、堆積量と相関関係がある物理量であってもよい。例えば、請求項５のように、各排気浄化機構による排気浄化前後の排気の差圧であってもよいし、捕集手段の温度情報であってもよい。
計測された堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きくなると、その排気浄化機構の圧損は増加している。そこで、制御手段は、所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させることで、通気性の回復処理を行う。
一方、排気浄化機構の通気性の回復処理を行うときは、捕集能力が低下する。そこで、制御手段は、所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御することで、上記排気浄化機構の静電捕集能力を強制的に上げる。この結果、全体的な粒子状物質の捕集能力を常に一定の状態に維持することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記内燃機関の粒子状物質の排出量を推定する排出量推定手段と、前記排出量推定手段で推定された粒子状物質の排出量に基づいて、各帯電手段に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明では、電圧制御手段は、各帯電手段に印加する電圧を制御することで、各排気浄化機構の粒子状物質の静電捕集能力を制御できる。具体的には、帯電手段に印加する電圧が大きくなるに従って静電捕集能力も上がる。一方、内燃機関の粒子状物質の排出量は常に一定ではなく、機械的な捕集だけで粒子状物質を浄化することができたり、静電捕集をしなければ粒子状物質を浄化できない場合がある。そこで、電圧制御手段は、粒子状物質の排出量に基づいて各帯電手段に印加する電圧を制御することにより、粒子状物質の排出量の変化に対応して捕集能力を変えて、必要最小限の消費電力で粒子状物質を浄化することができる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記燃焼手段は、前記捕集手段に担持された粒子状物質酸化触媒であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明では、粒子状物質、酸化触媒は、排気によって高温になって活性化されると、捕集手段に堆積された粒子状物質を酸化燃焼して、浄化することができる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記燃焼手段は、バリア放電を発生させるための放電極であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の発明では、放電極からバリア放電を発生することにより、捕集手段に堆積された多量の粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記各排気浄化機構の粒子状物質の堆積量を計測する堆積量計測手段と、前記堆積量計測手段で計測された堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きいときに、前記所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させ、前記所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御する制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記堆積量計測手段は、前記各排気浄化機構による排気浄化前後の排気の差圧を前記堆積量として計測することを特徴とする。
【００２４】
請求項５記載の発明では、排気浄化機構に粒子状物質が堆積されるに従って、排気浄化前後の排気の差圧が大きくなる。つまり、排気浄化前後の排気の差圧は、粒子状物質の堆積量に比例するので、堆積量そのものであると考えられる。そこで、堆積量計測手段は、前記堆積量として、各排気浄化機構による排気浄化前後の排気の差圧で検出することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。上記排気浄化装置は、エンジン１からの排気を浄化する反応ケース１０と、直流電圧を印加する直流電源装置２０と、エンジン１を制御するエンジンコントローラ２からの情報を用いて直流電源装置２０やその他の制御を行うコントローラ３０と、を備えている。
【００２７】
反応ケース１０は、排気の上流から下流の順に、排気に含まれる粒子状物質（以下「ＰＭ」という。）をコロナ放電によって帯電させる帯電用電極１１と、帯電されたＰＭを捕集する捕集部１２と、捕集部１２を通過したＰＭをコロナ放電によって帯電させる帯電用電極１３と、帯電されたＰＭを捕集する捕集部１４と、を備えている。
【００２８】
帯電用電極１１は、棒状の導電体で構成され、所定間隔毎に排気の下流側に複数の突起部１１ａを設けている。帯電用電極１１は、その両端がそれぞれ碍子１５によって反応ケース１０に固定されており、排気の流れに対して軸方向が直交するようになっている。また、帯電用電極１１は、直流電源装置２０の負電極側に接続されている。帯電用電極１１は、碍子１５によって固定されているので、反応ケース１０に絶縁された状態になっている。そして、帯電用電極１１は、突起部１１ａを介してコロナ放電を発生して、ＰＭを帯電させる。
【００２９】
捕集部１２は、帯電用電極１１に対して排気下流側に配置されており、多孔質金属（メタルフォーム）で構成されている。捕集部１２は、コロナ放電を発生させるための帯電用電極１１の対極となるものであり、反応ケース１０を介して接地されている。
【００３０】
さらに、捕集部１２には、ＰＭ酸化触媒とＮＯｘ浄化触媒が担持されている。低温時で捕集されたすすや可溶有機成分等のＰＭは、高温時にＰＭ酸化触媒によりこれらを酸化して浄化する。ＮＯｘ浄化触媒は、ＮＯｘを浄化できる触媒である。上記触媒としては、例えばＰｔ系触媒等が好ましい。
【００３１】
また、帯電用電極１３は、捕集部１２に対して排気下流側に配置され、帯電用電極１１と同様に構成されている。捕集部１４は、帯電用電極１３に対して排気下流側に配置され、捕集部１２と同様に構成されている。したがって、反応ケース１０は、帯電用電極１１及び捕集部１２からなる１段目の排気浄化機構と、帯電用電極１３及び捕集部１４からなる２段目の排気浄化機構と、で構成されている。
【００３２】
直流電源装置２０は、コントローラ３０の制御に従って、帯電用電極１１及び帯電用電極１３にそれぞれ独立したタイミングで、異なる大きさの電圧を印加することができる。
【００３３】
コントローラ３０は、電源装置２０を制御するための第１及び第２の関係テーブルや、通電しないときのＰＭ捕集量を記憶している。ここで、第１の関係テーブルは、ＰＭ排出量を推定するテーブルであり、エンジン回転数、主噴射量、吸気圧及びＰＭ排出量の関係を示している。第２の関係テーブルは、印加電圧、帯電用電極１１に通電した時のＰＭ捕集量、帯電用電極１１及び１３に通電した時のＰＭ捕集量の関係を示している。
【００３４】
以上のように構成された排気浄化装置において、コントローラ３０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために次のような制御を行う。
【００３５】
図２は、コントローラ３０の処理手順を説明するフローチャートである。コントローラ３０は、エンジン１が始動すると、ステップＳＴ１からステップＳＴ７までの処理を繰り返し実行する。
【００３６】
ステップＳＴ１では、コントローラ３０は、エンジンコントローラ２からエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧を読み込んでステップＳＴ２に移行する。
【００３７】
ステップＳＴ２では、コントローラ３０は、各排気浄化機構の何段目に通電するかを判定する。具体的には、最初に第１の関係テーブルを参照して、エンジンコントローラ２から読み込まされたエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧に対応するＰＭ排出量を推定する。
【００３８】
次に、推定されたＰＭ排出量と第２の関係テーブルを参照して、消費電力を抑制しつつ、推定されたＰＭ排出量を除去できる手段を選択する。つまり、どの程度の大きさの電圧を１段目（帯電用電極１１）に通電するか、１段目及び２段目（帯電用電極１１及び帯電用電極１３）に通電するか、いずれにも通電しないかを判定する。そして、１段目に通電するときはステップＳＴ４に移行し、１段目及び２段目に通電するときはステップＳＴ６に移行し、いずれにも通電しないときはステップＳＴ３に移行する。
【００３９】
ステップＳＴ３では、コントローラ３０は、所定時間経過するまで待機する。このとき、排気中のＰＭは、捕集部１２及び１４によって機械的に捕集される。そして、所定時間経過するとステップＳＴ１にリターンして、再びステップＳＴ１以降の処理を開始する。
【００４０】
ステップＳＴ４では、コントローラ３０は、帯電用電極１１に高電圧を印加するように直流電源装置２０を制御して、ステップＳＴ５に移行する。
【００４１】
図３は、帯電用電極１１に印加される電圧の経時変化を示す図である。図４は、帯電用電極１１によって帯電されたＰＭが捕集部１２によって捕集される状態を示す図である。帯電用電極１１と捕集部１２の間には電圧勾配（電界）が生じ、帯電用電極１１の周囲にプラズマが発生する。排気に含まれるＰＭは、プラズマによってイオン化される。
【００４２】
この結果、捕集部１２は、フィルタの目よりも細かいＰＭであっても静電的に捕集することができる。このとき、捕集部１２に担持されたＰＭ酸化触媒はＰＭを燃焼し、捕集部１２にＰＭが過大に堆積されるのを防止すると共に、ＰＭを浄化する。また、捕集部１２に担持されたＮＯｘ浄化触媒は、排気中のＮＯｘを浄化する。捕集部１２で捕集されなかったＰＭは、排気下流側の捕集部１４によって機械的に捕集される。
【００４３】
ステップＳＴ５では、コントローラ３０は、ステップＳＴ４の状態を維持したまま所定時間運転した後、ステップＳＴ１にリターンする。そして、再びステップＳＴ１以降の処理を開始する。
【００４４】
ステップＳＴ６では、コントローラ３０は、帯電用電極１１及び１３に高電圧を印加するように直流電源装置２０を制御して、ステップＳＴ７に移行する。ここでは、捕集部１２は、ステップＳＴ３と同様にしてＰＭを捕集する。さらに、捕集部１２で捕集されなかったＰＭは、帯電用電極１３の周囲に発生したプラズマによってイオン化される。したがって、捕集部１４は、捕集部１２で捕集されなかったＰＭを確実に捕集することができる。
【００４５】
図５は、ＰＭ排出量を示す図である。「エンジンアウト」は、エンジン１のＰＭ排出量、つまり浄化処理前のＰＭ量を示している。「１段使用」は帯電用電極１１に電圧を印加した場合、「２段使用」は帯電用電極１１及び１３に電圧を印加した場合のそれぞれのＰＭ排出量を示している。同図によると、エンジン排気中のＰＭに対して、帯電用電極１１に電圧を印加した場合ではＰＭ浄化率は９０％であるが、帯電用電極１１及び１３に電圧を印加した場合ではＰＭ浄化率は９９％まで達した。
【００４６】
ステップＳＴ７では、コントローラ３０は、ステップＳＴ５の状態を維持したまま所定時間運転した後、ステップＳＴ１にリターンする。そして、再びステップＳＴ１以降の処理を開始する。
【００４７】
以上のように、第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、捕集部１２だけでは十分にＰＭを捕集できない場合であっても、捕集部１２を通過したＰＭを捕集部１４で捕集することで、確実にＰＭを浄化することができる。このとき、エンジン１のＰＭ排出量を推定し、ＰＭ排出量に応じて帯電用電極１１や帯電用電極１３にそれぞれ独立に電圧を印加することにより、消費電力を抑制しつつ、効率的かつ確実に排気中のＰＭを浄化することができる。
【００４８】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば次のようにすることもできる。
【００４９】
本実施の形態では、帯電用電極及び捕集部からなる排気浄化機構が２段の場合を例に挙げて説明したが、排気浄化機構は３段以上であってもよい。この場合、コントローラ３０が、各段の帯電用電極にそれぞれ独立に電圧を印加することができればよい。
【００５０】
また、コントローラ３０は、第１及び第２の関係テーブルの代わりに、各テーブルを表す関係式を用いて、通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。また、コントローラ３０は、帯電用電極１１及び１３に印加する電圧が一定の場合には、推定されたＰＭ排出量と予め定められた判定閾値とを比較して、通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。例えば、ＰＭ排出量Ｘと判定閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２（Ｔｈ１＜Ｔｈ２）とを比較して、（Ｘ＜Ｔｈ１）の場合は通電せず、（Ｔｈ１≦Ｘ＜Ｔｈ２）の場合は帯電用電極１１のみ通電し、（Ｘ≧Ｔｈ２）の場合は帯電用電極１１及び１３に通電してもよい。
【００５１】
捕集部１２及び捕集部１４は、メッキされた多孔質体、多孔質金属、ＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された多孔質金属のいずれで構成されてもよく、特に限定されるものではない。
【００５２】
また、本実施の形態では、捕集部１２及び捕集部１４にそれぞれＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、捕集部１２、捕集部１４の少なくとも一方に、ＰＭ酸化触媒が担持されてもよいし、ＮＯｘ浄化触媒が担持されてもよい。
【００５３】
［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。上記排気浄化装置は、エンジン１からの排気を浄化する反応ケース５０と、直流電圧を印加する直流電源装置７１，７３と、交流電圧を印加する交流電源装置７２，７４と、排気の差圧を計測する差圧計７５，７６と、エンジン１を制御するエンジンコントローラ２からの情報や、差圧計７５，７６の計測結果に基づいて直流電源装置７１，７３及び交流電源７２，７４やその他の制御を行うコントローラ８０と、を備えている。
【００５４】
反応ケース５０は、排気上流から下流の順に、排気に含まれるＰＭを帯電させる帯電用電極５１と、ＰＭを集塵する集塵極５２と、バリア放電を行うためのバリア放電極５３と、細かいＰＭを集塵する集塵極５４と、を備えている。
【００５５】
反応ケース５０は、上述したものと同様のものを更に１組備えている。具体的には、集塵極５４から排気下流側に向かって、排気に含まれるＰＭを帯電させる帯電用電極５６と、ＰＭを集塵する集塵極５７と、バリア放電を行うためのバリア放電極５８と、細かいＰＭを集塵する集塵極５９と、を備えている。
【００５６】
したがって、反応ケース５０は、帯電用電極５１、集塵極５２、バリア放電極５３及び集塵極５４からなる１段目の排気浄化機構と、帯電用電極５６、集塵極５７、バリア放電極５８及び集塵極５９からなる２段目の排気浄化機構と、で構成されている。
【００５７】
帯電用電極５１は、第１の実施の形態で示した帯電用電極１１と同様に構成されており、その両端がそれぞれ碍子６０によって反応ケース１０に絶縁された状態で、排気の流れに対して軸方向が直交するように固定されている。そして、帯電用電極５１は、直流電源装置７１の負電極側に接続されている。
【００５８】
集塵極５２は、帯電されたＰＭを集塵して捕集する目の粗いフィルタである。集塵極５４は、集塵極５２に対して排気下流側に設けられ、集塵極５２で捕集されなかったＰＭを捕集する目の細かいフィルタである。
【００５９】
目の粗い集塵極５２としては、例えばステンレスの金網が好ましい。目が細かい集塵極５４としては、例えばメッキをした多孔質体又は多孔質金属が好ましい。
【００６０】
バリア放電極５３は、集塵極５２及び５４の間に設けられている。また、バリア放電極５３は、交流電源装置７２の電極に接続され、交流電圧印加時にバリア放電を発生することにより、集塵極５２及び５４に堆積されたＰＭを燃焼することができる。
【００６１】
図７（Ａ）はバリア放電極５３の構成を示す正面図であり、（Ｂ）はバリア放電極５３の断面図である。バリア放電極５３は、交流電源装置７２に接続されている印刷導体電極５３ａと、印刷導体電極５３ａに接続されている印刷導体基盤５３ｂと、印刷導体基盤５３ｂの周囲を覆っているアルミナ５３ｃと、で構成されている。
【００６２】
印刷導体基盤５３ｂは、アルミナ５３ｃによって絶縁されている。また、印刷導体基盤５３ｂには直径約５ｍｍ程度の複数の貫通穴５３ｄが形成されており、排気はこの貫通穴５３ｄを通って下流側に流れるようになっている。
【００６３】
また、帯電用電極５６、集塵極５７、バリア放電極５８、集塵極５９については、それぞれ帯電用電極５１、集塵極５２、バリア放電極５３、集塵極５４と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。なお、帯電用電極５６は直流電源装置７３の負電極側に接続されており、バリア放電極５８は交流電源装置７４の電極に接続されている。
【００６４】
直流電源装置７１，７３は、コントローラ８０によって直流電圧を印加するタイミングやその大きさが制御されている。同様に、交流電源装置７２，７４は、コントローラ８０によって交流電圧を印加するタイミングやその大きさが制御されている。
【００６５】
差圧計７５は、集塵極５２の排気上流側と集塵極５４の排気下流側との気圧差、すなわち１段目の排気浄化機構の浄化前後の排気差圧を計測し、計測結果をコントローラ８０に供給する。また、差圧計７６は、集塵極５７の排気上流側と集塵極５９の排気下流側との気圧差、すなわち２段目の排気浄化機構の浄化前後の排気差圧を計測し、計測結果をコントローラ８０に供給する。
【００６６】
コントローラ８０は、エンジンコントローラ２からの情報や差圧計７５及び７６で計測された差圧に基づいて、直流電源装置７１，７３、交流電源装置７２，７４をそれぞれ独立に制御する。
【００６７】
以上のように構成された排気浄化装置において、コントローラ３０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために次のような制御を行う。
【００６８】
図８は、コントローラ８０の処理手順を説明するフローチャートである。コントローラ８０は、エンジン１が始動すると、ステップＳＴ１１からステップＳＴ１９までの処理を繰り返し実行する。
【００６９】
ステップＳＴ１１では、コントローラ３０は、エンジンコントローラ２からエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧を読み込んでステップＳＴ１２に移行する。
【００７０】
ステップＳＴ１２では、コントローラ３０は、各排気浄化機構の何段目に通電するかを判定する。具体的には、最初に第１の関係テーブルを参照して、エンジンコントローラ２から読み込まされたエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧に対応するＰＭ排出量を推定する。
【００７１】
次に、推定されたＰＭ排出量と第２の関係テーブルを参照して、消費電力を抑制しつつ、推定されたＰＭ排出量を除去できる手段を選択する。つまり、どの程度の大きさの電圧を１段目（帯電用電極５１）に通電するか、１段目及び２段目（帯電用電極５１及び帯電用電極５６）に通電するか、いずれにも通電しないかを判定する。そして、１段目に通電するときはステップＳＴ１３に移行し、１段目及び２段目に通電するときはステップＳＴ１４に移行し、いずれにも通電しないときはステップＳＴ１５に移行する。
【００７２】
ステップＳＴ１３では、コントローラ８０は、図３に示すように、負の高電圧を帯電用電極５１に印加するように直流電源装置７１を制御して、ステップＳＴ１５に移行する。これにより、集塵極５２は、フィルタの目よりも細かいＰＭであっても静電的に捕集することができる。また、集塵極５４は、集塵極５２で捕集されなかったＰＭを捕集することができる。
【００７３】
ステップＳＴ１４では、コントローラ８０は、図３に示すように、負の高電圧を帯電用電極５１及び５６に印加するように直流電源装置７１及び７３を制御して、ステップＳＴ１５に移行する。これにより、１段目で捕集されなかったＰＭを２段目で捕集することができ、排気中のＰＭを確実に浄化することができる。
【００７４】
ステップＳＴ１５では、コントローラ８０は、差圧計７５及び７６でそれぞれ計測された差圧を読み込んで、ステップＳＴ１６に移行する。
【００７５】
ステップＳＴ１６では、コントローラ８０は、差圧計７５及び７６でそれぞれ計測された差圧の少なくとも１つが所定値以上であるかを判定する。ここで、１段目が多量のＰＭを捕集している場合、排気の流れが悪くなり、浄化前後の排気の差圧が所定値以上になる。一方、１段目がＰＭをあまり捕集してない場合、排気はよく流れており、浄化前後の排気の差圧は所定値未満になる。
【００７６】
そこで、コントローラ８０は、少なくとも１つの差圧が所定値以上であるときは多量のＰＭが捕集されているのでステップＳＴ１７に移行し、いずれの差圧も所定値以上でないときはＰＭがあまり捕集されていないのでステップＳＴ１９に移行する。
【００７７】
ステップＳＴ１７では、コントローラ８０は、差圧が所定値以上になった排気浄化機構（例えば、１段目）のバリア放電極５３に交流電圧を印加するように交流電源装置７２を制御して、ステップＳＴ１８に移行する。
【００７８】
図９は、交流電源装置７２がバリア放電極５３に印加する交流電圧の波形図である。図１０は、集塵極５２とバリア放電極５３の間で発生するバリア放電の状態を示す図である。集塵極５２に堆積されたＰＭは、集塵極５２とバリア放電極５３の間で発生したバリア放電によって燃焼する。このときの反応式は次のようになる。
【００７９】
最初に、バリア放電によって放出された電子は、酸素分子に衝突し、酸素ラジカルを生成する。
【００８０】
【化１】
【００８１】
酸素ラジカルは、酸素分子に衝突してオゾンを生成したり、一酸化窒素に衝突して二酸化窒素を生成する。
【００８２】
【化２】
【００８３】
オゾンや二酸化窒素は、すす（Ｃ）に衝突して、すすを酸化させる。
【００８４】
【化３】
【００８５】
また、オゾンや二酸化窒素は、ＳＯＦ（主成分はハイドロカーボン）に衝突して可溶有機成分（ＣxＨy）を酸化させる。
【００８６】
【化４】
【００８７】
このように、集塵極５２に堆積されたＰＭは、バリア放電によって酸化されて燃焼される。また、集塵極５４に堆積されたＰＭも同様にして燃焼される。この結果、１段目の排気浄化機構のＰＭ捕集能力が回復する。
【００８８】
ステップＳＴ１８では、コントローラ８０は、差圧が所定値以上になっていない排気浄化機構（例えば、２段目）の帯電用電極５６に対して、印加する直流電圧を更に高く設定して、ステップＳＴ１９に移行する。なお、帯電用電極５６に直流電圧が印加されていなかった場合は、所定の直流電圧を印加する。
【００８９】
図１１は、帯電用電極５６に印加される直流電圧に対して集塵極５７及び５９によるＰＭ捕集量の関係を示す図である。同図に示すように、直流電圧が高くなるに従って、ＰＭがコロナ放電によって更に帯電され、ＰＭの静電捕集能力が更に高くなる。
【００９０】
そこで、コントローラ８０は、回復処理されていない２段目の排気浄化機構の静電捕集能力を上げることによって、１段目の排気浄化機構のＰＭ捕集能力回復処理中において、全体的なＰＭ捕集能力が低下するのを防止することができる。
【００９１】
ステップＳＴ１９では、コントローラ８０は、現在の状態を維持したまま所定時間運転してステップＳＴ１にリターンし、再びステップＳＴ１移行の処理を開始する。
【００９２】
図１２は、第２の実施の形態に係る排気浄化装置（図中「本発明」）のＰＭ浄化率と１段目のみの排気浄化機構（図中「１段のみ」）のＰＭ浄化率の比較結果を示す図である。同図によると、１段のみの場合、ＰＭ捕集能力の回復処理を行っているときにＰＭ浄化率が低下している。これに対して、本発明の場合、ＰＭ浄化率は常にほぼ一定の値になった。
【００９３】
以上のように、第２の実施の形態に係る排気浄化装置は、集塵極５２及び５４だけでは十分にＰＭを捕集できない場合であっても、集塵極５２及び５４を通過したＰＭを集塵極５７，５９で捕集することで、確実にＰＭを浄化することができる。
【００９４】
さらに、上記排気浄化装置は、例えば集塵極５２及び５４にＰＭが堆積してＰＭ捕集能力が低下した場合には、バリア放電により集塵極５２及び５４に堆積されたＰＭを浄化すると共に、帯電用電極５６の印加電圧を更に高く設定することで、集塵極５７，５９の静電捕集能力を上げることができる。この結果、集塵極５２，５４のＰＭ捕集能力を回復処理中において、全体的なＰＭ捕集能力が低下するのを抑制することができる。
【００９５】
なお、本実施の形態では、１段目のＰＭ捕集能力を回復処理する際に２段目のＰＭ静電捕集能力を上げることを例に挙げて説明したが、同様にして、２段目のＰＭ捕集能力を回復処理する際に１段目のＰＭ静電捕集能力を上げることができるは勿論である。
【００９６】
また、本実施の形態では、ＰＭ堆積量を計測するために差圧を計測したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、差圧計の代わりに、集塵極５２、バリア放電極５３、集塵極５４の間、あるいは集塵極５７、バリア放電極５８、集塵極５９の間の誘電率を測定する装置（誘電率計）を設けてもよい。このとき、コントローラは、誘電率計からの誘電率情報が所定値以上であるかを判定し、誘電率情報が所定値以上のバリア放電極に交流電圧を印加し、誘電率情報が所定値未満の帯電用電極の印加電圧を高くすればよい。
【００９７】
さらに、集塵極５２，５４，５７，５９には、第１の実施の形態と同様に、ＰＭ酸化触媒とＮＯｘ浄化触媒を担持してもよい。これにより、ＰＭ酸化触媒は堆積されたＰＭを燃焼し、ＰＭが過大に堆積されるのを防止すると共に、ＰＭを浄化することができる。また、ＮＯｘ浄化触媒は、排気中のＮＯｘを浄化することができる。
【００９８】
本実施の形態では、排気浄化機構が２段の場合を例に挙げて説明したが、排気浄化機構は３段以上であってもよい。この場合、コントローラ８０が、各段の帯電用電極にそれぞれ独立に電圧を印加することができればよい。
【００９９】
また、コントローラ８０は、第１及び第２の関係テーブルの代わりに、各テーブルを表す関係式を用いて通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。また、コントローラ８０は、帯電用電極５１及び５６に印加する電圧が一定の場合には、推定されたＰＭ排出量と予め定められた判定閾値とを比較して、通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。
【０１００】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、帯電手段の対極として帯電手段より排気下流側に設けられ帯電手段で帯電された粒子状物質を捕集する捕集手段と、捕集手段で捕集された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、を有する排気浄化機構を、排気の流れ方向に複数個配置したことにより、前段の排気浄化機構で捕集できなかった粒子状物質についても、後段の排気浄化機構で捕集するので、排気から粒子状物質を確実に浄化することができる。
また、各排気浄化機構の堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きいときに、所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させ、所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御することにより、捕集能力の低下した排気浄化機構を回復させると共に他の排気浄化機構の静電捕集能力を上げるので、全体的な捕集能力が低下するのを抑制することができる。
【０１０１】
請求項２記載の発明は、前記内燃機関の粒子状物質の排出量を推定し、推定された粒子状物質の排出量に基づいて各帯電手段に印加する電圧を制御することにより、粒子状物質の排出量の変化に対応して捕集能力を変えることができ、必要最小限の消費電力で粒子状物質を浄化することができる。
【０１０２】
請求項３記載の発明は、燃焼手段は捕集手段に担持された粒子状物質酸化触媒であることにより、排気温度によって活性化されると、捕集手段に堆積された粒子状物質を酸化燃焼して浄化することができる。
【０１０３】
請求項４記載の発明は、燃焼手段はバリア放電を発生させるための放電極であることにより、バリア放電によって捕集手段に堆積された多量の粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】コントローラの処理手順を説明するフローチャートである。
【図３】帯電用電極に印加される電圧の経時変化を示す図である。
【図４】帯電用電極によって帯電されたＰＭが捕集部によって捕集される状態を示す図である。
【図５】ＰＭ排出量を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【図７】（Ａ）はバリア放電極の構成を示す正面図であり、（Ｂ）はバリア放電極の側面断面図である。
【図８】コントローラの処理手順を説明するフローチャートである。
【図９】交流電源装置がバリア放電極に印加する交流電圧の波形図である。
【図１０】集塵極とバリア放電極の間で発生するバリア放電の状態を示す図である。
【図１１】帯電用電極に印加される直流電圧に対して集塵極によるＰＭ捕集量の関係を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る排気浄化装置のＰＭ浄化率と１段目のみのフィルタのＰＭ浄化率の比較結果を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ エンジンコントローラ
１０，５０ 反応ケース
１１，１３，５１，５６ 帯電用電極
１２，１４ 捕集部
２０，７１，７３ 直流電源装置
３０，８０ コントローラ
５２，５４，５７，５９ 集塵極
５３，５８ バリア放電極
７２，７４ 交流電源装置
７５，７６ 差圧計
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に係り、特にエンジンの排気に含まれるすす、燃料やエンジンオイルの燃えかすである可溶有機成分（ＳＯＦ：Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）等の粒子状物質（以下「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という。）を浄化するのに用いて好適な排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
内燃機関の開発及び使用においては、内燃機関からの有害な排気物質を浄化することが重要ある。特にディーゼル機関の場合、排気中に有害なＰＭが含まれており、ＰＭをどのように浄化するかが問題となっている。
【０００３】
特開２００１−２０７２１号公報では、圧力損失を増大させることなく、粒子径の小さなＰＭを捕集効率を上げるディーゼルパティキュレートフィルタシステム（以下「従来技術１」という。）が提案されている。
【０００４】
従来技術１は、所定間隔を隔てて配設された導電性材料からなる複数のフィルタに対して、極性の異なる直流電圧を印加することでＰＭを帯電させ、粒子径の小さいなＰＭを静電的に捕集するものである。
【０００５】
しかし、従来技術１は、フィルタを電極として用いているので、奇数個のフィルタを使用する場合ではフィルタの極性が逆になる部分が生じ、ＰＭを十分に捕集することができないことがある。また、ＰＭ排出量を考慮することなくフィルタに高電圧を常時印加しているので、消費電力が大きくなってしまう問題があった。
【０００６】
特開２００１−４１０２４号公報では、排気中のＰＭを衝突させて粒径を大きくすると共に負に帯電させて、正の帯電体を構成する金網によって電気的に捕集し、さらに金網を通過したＰＭを機械的なフィルタで捕集する電荷型のディーゼルパティキュレートフィルタ装置（以下「従来技術２」という。）が提案されている。
【０００７】
しかし、従来技術２は、帯電部と捕集部が１組だけ設けられた構成であるので、捕集部で捕集されなかったＰＭについては、そのまま外部に排出されてしまい、ＰＭを完全に浄化することができない問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、消費電力を抑制し、効率的かつ確実にＰＭを含む排気を浄化することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、前記帯電手段の対極として前記帯電手段より排気下流側に設けられ前記帯電手段で帯電された粒子状物質を捕集する捕集手段と、前記捕集手段で捕集された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、を有し、排気の流れ方向に複数個配置された排気浄化機構と、前記各排気浄化機構の粒子状物質の堆積量を計測する堆積量計測手段と、前記堆積量計測手段で計測された堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きいときに、前記所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させ、前記所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御する制御手段と、を備えている。
【００１０】
請求項１記載の発明では、帯電手段は、高電圧を印加することによって、エンジンの排気に含まれる粒子状物質を帯電させる。ここでは、直流の負電圧を印加することで、粒子状物質を負極に帯電させるのが好ましい。
【００１１】
捕集手段は、粒子状物質を捕集するものであれば特に限定されないが、例えばメッシュ状に構成され、かつ接地されているのが好ましい。捕集手段は、静電的に粒子状物質を捕集するので、網目より細かい粒子状物質であっても捕集することができる。そして、燃焼手段は、捕集手段に捕集され堆積された粒子状物質を燃焼させて浄化する。
【００１２】
排気浄化機構は、帯電手段、捕集手段及び燃焼手段を有していて、排気の流れの方向に直列に複数個設けられている。これにより、前段の排気浄化機構で捕集できなかった粒子状物質についても、後段の排気浄化機構で捕集することができる。
堆積量計測手段は、各排気浄化機構の粒子状物質の堆積量を計測する。ここにいう堆積量は、実際の堆積量に限らず、堆積量と相関関係がある物理量であってもよい。例えば、請求項５のように、各排気浄化機構による排気浄化前後の排気の差圧であってもよいし、捕集手段の温度情報であってもよい。
計測された堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きくなると、その排気浄化機構の圧損は増加している。そこで、制御手段は、所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させることで、通気性の回復処理を行う。
一方、排気浄化機構の通気性の回復処理を行うときは、捕集能力が低下する。そこで、制御手段は、所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御することで、上記排気浄化機構の静電捕集能力を強制的に上げる。この結果、全体的な粒子状物質の捕集能力を常に一定の状態に維持することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記内燃機関の粒子状物質の排出量を推定する排出量推定手段と、前記排出量推定手段で推定された粒子状物質の排出量に基づいて、各帯電手段に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明では、電圧制御手段は、各帯電手段に印加する電圧を制御することで、各排気浄化機構の粒子状物質の静電捕集能力を制御できる。具体的には、帯電手段に印加する電圧が大きくなるに従って静電捕集能力も上がる。一方、内燃機関の粒子状物質の排出量は常に一定ではなく、機械的な捕集だけで粒子状物質を浄化することができたり、静電捕集をしなければ粒子状物質を浄化できない場合がある。そこで、電圧制御手段は、粒子状物質の排出量に基づいて各帯電手段に印加する電圧を制御することにより、粒子状物質の排出量の変化に対応して捕集能力を変えて、必要最小限の消費電力で粒子状物質を浄化することができる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記燃焼手段は、前記捕集手段に担持された粒子状物質酸化触媒であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明では、粒子状物質、酸化触媒は、排気によって高温になって活性化されると、捕集手段に堆積された粒子状物質を酸化燃焼して、浄化することができる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記燃焼手段は、バリア放電を発生させるための放電極であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の発明では、放電極からバリア放電を発生することにより、捕集手段に堆積された多量の粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記各排気浄化機構の粒子状物質の堆積量を計測する堆積量計測手段と、前記堆積量計測手段で計測された堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きいときに、前記所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させ、前記所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御する制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記堆積量計測手段は、前記各排気浄化機構による排気浄化前後の排気の差圧を前記堆積量として計測することを特徴とする。
【００２４】
請求項５記載の発明では、排気浄化機構に粒子状物質が堆積されるに従って、排気浄化前後の排気の差圧が大きくなる。つまり、排気浄化前後の排気の差圧は、粒子状物質の堆積量に比例するので、堆積量そのものであると考えられる。そこで、堆積量計測手段は、前記堆積量として、各排気浄化機構による排気浄化前後の排気の差圧で検出することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。上記排気浄化装置は、エンジン１からの排気を浄化する反応ケース１０と、直流電圧を印加する直流電源装置２０と、エンジン１を制御するエンジンコントローラ２からの情報を用いて直流電源装置２０やその他の制御を行うコントローラ３０と、を備えている。
【００２７】
反応ケース１０は、排気の上流から下流の順に、排気に含まれる粒子状物質（以下「ＰＭ」という。）をコロナ放電によって帯電させる帯電用電極１１と、帯電されたＰＭを捕集する捕集部１２と、捕集部１２を通過したＰＭをコロナ放電によって帯電させる帯電用電極１３と、帯電されたＰＭを捕集する捕集部１４と、を備えている。
【００２８】
帯電用電極１１は、棒状の導電体で構成され、所定間隔毎に排気の下流側に複数の突起部１１ａを設けている。帯電用電極１１は、その両端がそれぞれ碍子１５によって反応ケース１０に固定されており、排気の流れに対して軸方向が直交するようになっている。また、帯電用電極１１は、直流電源装置２０の負電極側に接続されている。帯電用電極１１は、碍子１５によって固定されているので、反応ケース１０に絶縁された状態になっている。そして、帯電用電極１１は、突起部１１ａを介してコロナ放電を発生して、ＰＭを帯電させる。
【００２９】
捕集部１２は、帯電用電極１１に対して排気下流側に配置されており、多孔質金属（メタルフォーム）で構成されている。捕集部１２は、コロナ放電を発生させるための帯電用電極１１の対極となるものであり、反応ケース１０を介して接地されている。
【００３０】
さらに、捕集部１２には、ＰＭ酸化触媒とＮＯｘ浄化触媒が担持されている。低温時で捕集されたすすや可溶有機成分等のＰＭは、高温時にＰＭ酸化触媒によりこれらを酸化して浄化する。ＮＯｘ浄化触媒は、ＮＯｘを浄化できる触媒である。上記触媒としては、例えばＰｔ系触媒等が好ましい。
【００３１】
また、帯電用電極１３は、捕集部１２に対して排気下流側に配置され、帯電用電極１１と同様に構成されている。捕集部１４は、帯電用電極１３に対して排気下流側に配置され、捕集部１２と同様に構成されている。したがって、反応ケース１０は、帯電用電極１１及び捕集部１２からなる１段目の排気浄化機構と、帯電用電極１３及び捕集部１４からなる２段目の排気浄化機構と、で構成されている。
【００３２】
直流電源装置２０は、コントローラ３０の制御に従って、帯電用電極１１及び帯電用電極１３にそれぞれ独立したタイミングで、異なる大きさの電圧を印加することができる。
【００３３】
コントローラ３０は、電源装置２０を制御するための第１及び第２の関係テーブルや、通電しないときのＰＭ捕集量を記憶している。ここで、第１の関係テーブルは、ＰＭ排出量を推定するテーブルであり、エンジン回転数、主噴射量、吸気圧及びＰＭ排出量の関係を示している。第２の関係テーブルは、印加電圧、帯電用電極１１に通電した時のＰＭ捕集量、帯電用電極１１及び１３に通電した時のＰＭ捕集量の関係を示している。
【００３４】
以上のように構成された排気浄化装置において、コントローラ３０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために次のような制御を行う。
【００３５】
図２は、コントローラ３０の処理手順を説明するフローチャートである。コントローラ３０は、エンジン１が始動すると、ステップＳＴ１からステップＳＴ７までの処理を繰り返し実行する。
【００３６】
ステップＳＴ１では、コントローラ３０は、エンジンコントローラ２からエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧を読み込んでステップＳＴ２に移行する。
【００３７】
ステップＳＴ２では、コントローラ３０は、各排気浄化機構の何段目に通電するかを判定する。具体的には、最初に第１の関係テーブルを参照して、エンジンコントローラ２から読み込まされたエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧に対応するＰＭ排出量を推定する。
【００３８】
次に、推定されたＰＭ排出量と第２の関係テーブルを参照して、消費電力を抑制しつつ、推定されたＰＭ排出量を除去できる手段を選択する。つまり、どの程度の大きさの電圧を１段目（帯電用電極１１）に通電するか、１段目及び２段目（帯電用電極１１及び帯電用電極１３）に通電するか、いずれにも通電しないかを判定する。そして、１段目に通電するときはステップＳＴ４に移行し、１段目及び２段目に通電するときはステップＳＴ６に移行し、いずれにも通電しないときはステップＳＴ３に移行する。
【００３９】
ステップＳＴ３では、コントローラ３０は、所定時間経過するまで待機する。このとき、排気中のＰＭは、捕集部１２及び１４によって機械的に捕集される。そして、所定時間経過するとステップＳＴ１にリターンして、再びステップＳＴ１以降の処理を開始する。
【００４０】
ステップＳＴ４では、コントローラ３０は、帯電用電極１１に高電圧を印加するように直流電源装置２０を制御して、ステップＳＴ５に移行する。
【００４１】
図３は、帯電用電極１１に印加される電圧の経時変化を示す図である。図４は、帯電用電極１１によって帯電されたＰＭが捕集部１２によって捕集される状態を示す図である。帯電用電極１１と捕集部１２の間には電圧勾配（電界）が生じ、帯電用電極１１の周囲にプラズマが発生する。排気に含まれるＰＭは、プラズマによってイオン化される。
【００４２】
この結果、捕集部１２は、フィルタの目よりも細かいＰＭであっても静電的に捕集することができる。このとき、捕集部１２に担持されたＰＭ酸化触媒はＰＭを燃焼し、捕集部１２にＰＭが過大に堆積されるのを防止すると共に、ＰＭを浄化する。また、捕集部１２に担持されたＮＯｘ浄化触媒は、排気中のＮＯｘを浄化する。捕集部１２で捕集されなかったＰＭは、排気下流側の捕集部１４によって機械的に捕集される。
【００４３】
ステップＳＴ５では、コントローラ３０は、ステップＳＴ４の状態を維持したまま所定時間運転した後、ステップＳＴ１にリターンする。そして、再びステップＳＴ１以降の処理を開始する。
【００４４】
ステップＳＴ６では、コントローラ３０は、帯電用電極１１及び１３に高電圧を印加するように直流電源装置２０を制御して、ステップＳＴ７に移行する。ここでは、捕集部１２は、ステップＳＴ３と同様にしてＰＭを捕集する。さらに、捕集部１２で捕集されなかったＰＭは、帯電用電極１３の周囲に発生したプラズマによってイオン化される。したがって、捕集部１４は、捕集部１２で捕集されなかったＰＭを確実に捕集することができる。
【００４５】
図５は、ＰＭ排出量を示す図である。「エンジンアウト」は、エンジン１のＰＭ排出量、つまり浄化処理前のＰＭ量を示している。「１段使用」は帯電用電極１１に電圧を印加した場合、「２段使用」は帯電用電極１１及び１３に電圧を印加した場合のそれぞれのＰＭ排出量を示している。同図によると、エンジン排気中のＰＭに対して、帯電用電極１１に電圧を印加した場合ではＰＭ浄化率は９０％であるが、帯電用電極１１及び１３に電圧を印加した場合ではＰＭ浄化率は９９％まで達した。
【００４６】
ステップＳＴ７では、コントローラ３０は、ステップＳＴ５の状態を維持したまま所定時間運転した後、ステップＳＴ１にリターンする。そして、再びステップＳＴ１以降の処理を開始する。
【００４７】
以上のように、第１の実施の形態に係る排気浄化装置は、捕集部１２だけでは十分にＰＭを捕集できない場合であっても、捕集部１２を通過したＰＭを捕集部１４で捕集することで、確実にＰＭを浄化することができる。このとき、エンジン１のＰＭ排出量を推定し、ＰＭ排出量に応じて帯電用電極１１や帯電用電極１３にそれぞれ独立に電圧を印加することにより、消費電力を抑制しつつ、効率的かつ確実に排気中のＰＭを浄化することができる。
【００４８】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば次のようにすることもできる。
【００４９】
本実施の形態では、帯電用電極及び捕集部からなる排気浄化機構が２段の場合を例に挙げて説明したが、排気浄化機構は３段以上であってもよい。この場合、コントローラ３０が、各段の帯電用電極にそれぞれ独立に電圧を印加することができればよい。
【００５０】
また、コントローラ３０は、第１及び第２の関係テーブルの代わりに、各テーブルを表す関係式を用いて、通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。また、コントローラ３０は、帯電用電極１１及び１３に印加する電圧が一定の場合には、推定されたＰＭ排出量と予め定められた判定閾値とを比較して、通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。例えば、ＰＭ排出量Ｘと判定閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２（Ｔｈ１＜Ｔｈ２）とを比較して、（Ｘ＜Ｔｈ１）の場合は通電せず、（Ｔｈ１≦Ｘ＜Ｔｈ２）の場合は帯電用電極１１のみ通電し、（Ｘ≧Ｔｈ２）の場合は帯電用電極１１及び１３に通電してもよい。
【００５１】
捕集部１２及び捕集部１４は、メッキされた多孔質体、多孔質金属、ＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された多孔質金属のいずれで構成されてもよく、特に限定されるものではない。
【００５２】
また、本実施の形態では、捕集部１２及び捕集部１４にそれぞれＰＭ酸化触媒及びＮＯｘ浄化触媒が担持された場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、捕集部１２、捕集部１４の少なくとも一方に、ＰＭ酸化触媒が担持されてもよいし、ＮＯｘ浄化触媒が担持されてもよい。
【００５３】
［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。上記排気浄化装置は、エンジン１からの排気を浄化する反応ケース５０と、直流電圧を印加する直流電源装置７１，７３と、交流電圧を印加する交流電源装置７２，７４と、排気の差圧を計測する差圧計７５，７６と、エンジン１を制御するエンジンコントローラ２からの情報や、差圧計７５，７６の計測結果に基づいて直流電源装置７１，７３及び交流電源７２，７４やその他の制御を行うコントローラ８０と、を備えている。
【００５４】
反応ケース５０は、排気上流から下流の順に、排気に含まれるＰＭを帯電させる帯電用電極５１と、ＰＭを集塵する集塵極５２と、バリア放電を行うためのバリア放電極５３と、細かいＰＭを集塵する集塵極５４と、を備えている。
【００５５】
反応ケース５０は、上述したものと同様のものを更に１組備えている。具体的には、集塵極５４から排気下流側に向かって、排気に含まれるＰＭを帯電させる帯電用電極５６と、ＰＭを集塵する集塵極５７と、バリア放電を行うためのバリア放電極５８と、細かいＰＭを集塵する集塵極５９と、を備えている。
【００５６】
したがって、反応ケース５０は、帯電用電極５１、集塵極５２、バリア放電極５３及び集塵極５４からなる１段目の排気浄化機構と、帯電用電極５６、集塵極５７、バリア放電極５８及び集塵極５９からなる２段目の排気浄化機構と、で構成されている。
【００５７】
帯電用電極５１は、第１の実施の形態で示した帯電用電極１１と同様に構成されており、その両端がそれぞれ碍子６０によって反応ケース１０に絶縁された状態で、排気の流れに対して軸方向が直交するように固定されている。そして、帯電用電極５１は、直流電源装置７１の負電極側に接続されている。
【００５８】
集塵極５２は、帯電されたＰＭを集塵して捕集する目の粗いフィルタである。集塵極５４は、集塵極５２に対して排気下流側に設けられ、集塵極５２で捕集されなかったＰＭを捕集する目の細かいフィルタである。
【００５９】
目の粗い集塵極５２としては、例えばステンレスの金網が好ましい。目が細かい集塵極５４としては、例えばメッキをした多孔質体又は多孔質金属が好ましい。
【００６０】
バリア放電極５３は、集塵極５２及び５４の間に設けられている。また、バリア放電極５３は、交流電源装置７２の電極に接続され、交流電圧印加時にバリア放電を発生することにより、集塵極５２及び５４に堆積されたＰＭを燃焼することができる。
【００６１】
図７（Ａ）はバリア放電極５３の構成を示す正面図であり、（Ｂ）はバリア放電極５３の断面図である。バリア放電極５３は、交流電源装置７２に接続されている印刷導体電極５３ａと、印刷導体電極５３ａに接続されている印刷導体基盤５３ｂと、印刷導体基盤５３ｂの周囲を覆っているアルミナ５３ｃと、で構成されている。
【００６２】
印刷導体基盤５３ｂは、アルミナ５３ｃによって絶縁されている。また、印刷導体基盤５３ｂには直径約５ｍｍ程度の複数の貫通穴５３ｄが形成されており、排気はこの貫通穴５３ｄを通って下流側に流れるようになっている。
【００６３】
また、帯電用電極５６、集塵極５７、バリア放電極５８、集塵極５９については、それぞれ帯電用電極５１、集塵極５２、バリア放電極５３、集塵極５４と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。なお、帯電用電極５６は直流電源装置７３の負電極側に接続されており、バリア放電極５８は交流電源装置７４の電極に接続されている。
【００６４】
直流電源装置７１，７３は、コントローラ８０によって直流電圧を印加するタイミングやその大きさが制御されている。同様に、交流電源装置７２，７４は、コントローラ８０によって交流電圧を印加するタイミングやその大きさが制御されている。
【００６５】
差圧計７５は、集塵極５２の排気上流側と集塵極５４の排気下流側との気圧差、すなわち１段目の排気浄化機構の浄化前後の排気差圧を計測し、計測結果をコントローラ８０に供給する。また、差圧計７６は、集塵極５７の排気上流側と集塵極５９の排気下流側との気圧差、すなわち２段目の排気浄化機構の浄化前後の排気差圧を計測し、計測結果をコントローラ８０に供給する。
【００６６】
コントローラ８０は、エンジンコントローラ２からの情報や差圧計７５及び７６で計測された差圧に基づいて、直流電源装置７１，７３、交流電源装置７２，７４をそれぞれ独立に制御する。
【００６７】
以上のように構成された排気浄化装置において、コントローラ３０は、排気に含まれるＰＭを効率的に浄化するために次のような制御を行う。
【００６８】
図８は、コントローラ８０の処理手順を説明するフローチャートである。コントローラ８０は、エンジン１が始動すると、ステップＳＴ１１からステップＳＴ１９までの処理を繰り返し実行する。
【００６９】
ステップＳＴ１１では、コントローラ３０は、エンジンコントローラ２からエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧を読み込んでステップＳＴ１２に移行する。
【００７０】
ステップＳＴ１２では、コントローラ３０は、各排気浄化機構の何段目に通電するかを判定する。具体的には、最初に第１の関係テーブルを参照して、エンジンコントローラ２から読み込まされたエンジン回転数、主噴射量及び吸気圧に対応するＰＭ排出量を推定する。
【００７１】
次に、推定されたＰＭ排出量と第２の関係テーブルを参照して、消費電力を抑制しつつ、推定されたＰＭ排出量を除去できる手段を選択する。つまり、どの程度の大きさの電圧を１段目（帯電用電極５１）に通電するか、１段目及び２段目（帯電用電極５１及び帯電用電極５６）に通電するか、いずれにも通電しないかを判定する。そして、１段目に通電するときはステップＳＴ１３に移行し、１段目及び２段目に通電するときはステップＳＴ１４に移行し、いずれにも通電しないときはステップＳＴ１５に移行する。
【００７２】
ステップＳＴ１３では、コントローラ８０は、図３に示すように、負の高電圧を帯電用電極５１に印加するように直流電源装置７１を制御して、ステップＳＴ１５に移行する。これにより、集塵極５２は、フィルタの目よりも細かいＰＭであっても静電的に捕集することができる。また、集塵極５４は、集塵極５２で捕集されなかったＰＭを捕集することができる。
【００７３】
ステップＳＴ１４では、コントローラ８０は、図３に示すように、負の高電圧を帯電用電極５１及び５６に印加するように直流電源装置７１及び７３を制御して、ステップＳＴ１５に移行する。これにより、１段目で捕集されなかったＰＭを２段目で捕集することができ、排気中のＰＭを確実に浄化することができる。
【００７４】
ステップＳＴ１５では、コントローラ８０は、差圧計７５及び７６でそれぞれ計測された差圧を読み込んで、ステップＳＴ１６に移行する。
【００７５】
ステップＳＴ１６では、コントローラ８０は、差圧計７５及び７６でそれぞれ計測された差圧の少なくとも１つが所定値以上であるかを判定する。ここで、１段目が多量のＰＭを捕集している場合、排気の流れが悪くなり、浄化前後の排気の差圧が所定値以上になる。一方、１段目がＰＭをあまり捕集してない場合、排気はよく流れており、浄化前後の排気の差圧は所定値未満になる。
【００７６】
そこで、コントローラ８０は、少なくとも１つの差圧が所定値以上であるときは多量のＰＭが捕集されているのでステップＳＴ１７に移行し、いずれの差圧も所定値以上でないときはＰＭがあまり捕集されていないのでステップＳＴ１９に移行する。
【００７７】
ステップＳＴ１７では、コントローラ８０は、差圧が所定値以上になった排気浄化機構（例えば、１段目）のバリア放電極５３に交流電圧を印加するように交流電源装置７２を制御して、ステップＳＴ１８に移行する。
【００７８】
図９は、交流電源装置７２がバリア放電極５３に印加する交流電圧の波形図である。図１０は、集塵極５２とバリア放電極５３の間で発生するバリア放電の状態を示す図である。集塵極５２に堆積されたＰＭは、集塵極５２とバリア放電極５３の間で発生したバリア放電によって燃焼する。このときの反応式は次のようになる。
【００７９】
最初に、バリア放電によって放出された電子は、酸素分子に衝突し、酸素ラジカルを生成する。
【００８０】
【化１】
酸素ラジカルは、酸素分子に衝突してオゾンを生成したり、一酸化窒素に衝突して二酸化窒素を生成する。
【００８２】
【化２】
オゾンや二酸化窒素は、すす（Ｃ）に衝突して、すすを酸化させる。
【００８４】
【化３】
また、オゾンや二酸化窒素は、ＳＯＦ（主成分はハイドロカーボン）に衝突して可溶有機成分（ＣxＨy）を酸化させる。
【００８６】
【化４】
このように、集塵極５２に堆積されたＰＭは、バリア放電によって酸化されて燃焼される。また、集塵極５４に堆積されたＰＭも同様にして燃焼される。この結果、１段目の排気浄化機構のＰＭ捕集能力が回復する。
【００８８】
ステップＳＴ１８では、コントローラ８０は、差圧が所定値以上になっていない排気浄化機構（例えば、２段目）の帯電用電極５６に対して、印加する直流電圧を更に高く設定して、ステップＳＴ１９に移行する。なお、帯電用電極５６に直流電圧が印加されていなかった場合は、所定の直流電圧を印加する。
【００８９】
図１１は、帯電用電極５６に印加される直流電圧に対して集塵極５７及び５９によるＰＭ捕集量の関係を示す図である。同図に示すように、直流電圧が高くなるに従って、ＰＭがコロナ放電によって更に帯電され、ＰＭの静電捕集能力が更に高くなる。
【００９０】
そこで、コントローラ８０は、回復処理されていない２段目の排気浄化機構の静電捕集能力を上げることによって、１段目の排気浄化機構のＰＭ捕集能力回復処理中において、全体的なＰＭ捕集能力が低下するのを防止することができる。
【００９１】
ステップＳＴ１９では、コントローラ８０は、現在の状態を維持したまま所定時間運転してステップＳＴ１にリターンし、再びステップＳＴ１移行の処理を開始する。
【００９２】
図１２は、第２の実施の形態に係る排気浄化装置（図中「本発明」）のＰＭ浄化率と１段目のみの排気浄化機構（図中「１段のみ」）のＰＭ浄化率の比較結果を示す図である。同図によると、１段のみの場合、ＰＭ捕集能力の回復処理を行っているときにＰＭ浄化率が低下している。これに対して、本発明の場合、ＰＭ浄化率は常にほぼ一定の値になった。
【００９３】
以上のように、第２の実施の形態に係る排気浄化装置は、集塵極５２及び５４だけでは十分にＰＭを捕集できない場合であっても、集塵極５２及び５４を通過したＰＭを集塵極５７，５９で捕集することで、確実にＰＭを浄化することができる。
【００９４】
さらに、上記排気浄化装置は、例えば集塵極５２及び５４にＰＭが堆積してＰＭ捕集能力が低下した場合には、バリア放電により集塵極５２及び５４に堆積されたＰＭを浄化すると共に、帯電用電極５６の印加電圧を更に高く設定することで、集塵極５７，５９の静電捕集能力を上げることができる。この結果、集塵極５２，５４のＰＭ捕集能力を回復処理中において、全体的なＰＭ捕集能力が低下するのを抑制することができる。
【００９５】
なお、本実施の形態では、１段目のＰＭ捕集能力を回復処理する際に２段目のＰＭ静電捕集能力を上げることを例に挙げて説明したが、同様にして、２段目のＰＭ捕集能力を回復処理する際に１段目のＰＭ静電捕集能力を上げることができるは勿論である。
【００９６】
また、本実施の形態では、ＰＭ堆積量を計測するために差圧を計測したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、差圧計の代わりに、集塵極５２、バリア放電極５３、集塵極５４の間、あるいは集塵極５７、バリア放電極５８、集塵極５９の間の誘電率を測定する装置（誘電率計）を設けてもよい。このとき、コントローラは、誘電率計からの誘電率情報が所定値以上であるかを判定し、誘電率情報が所定値以上のバリア放電極に交流電圧を印加し、誘電率情報が所定値未満の帯電用電極の印加電圧を高くすればよい。
【００９７】
さらに、集塵極５２，５４，５７，５９には、第１の実施の形態と同様に、ＰＭ酸化触媒とＮＯｘ浄化触媒を担持してもよい。これにより、ＰＭ酸化触媒は堆積されたＰＭを燃焼し、ＰＭが過大に堆積されるのを防止すると共に、ＰＭを浄化することができる。また、ＮＯｘ浄化触媒は、排気中のＮＯｘを浄化することができる。
【００９８】
本実施の形態では、排気浄化機構が２段の場合を例に挙げて説明したが、排気浄化機構は３段以上であってもよい。この場合、コントローラ８０が、各段の帯電用電極にそれぞれ独立に電圧を印加することができればよい。
【００９９】
また、コントローラ８０は、第１及び第２の関係テーブルの代わりに、各テーブルを表す関係式を用いて通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。また、コントローラ８０は、帯電用電極５１及び５６に印加する電圧が一定の場合には、推定されたＰＭ排出量と予め定められた判定閾値とを比較して、通電を行うか否かの判定処理を行ってもよい。
【０１００】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、帯電手段の対極として帯電手段より排気下流側に設けられ帯電手段で帯電された粒子状物質を捕集する捕集手段と、捕集手段で捕集された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、を有する排気浄化機構を、排気の流れ方向に複数個配置したことにより、前段の排気浄化機構で捕集できなかった粒子状物質についても、後段の排気浄化機構で捕集するので、排気から粒子状物質を確実に浄化することができる。
また、各排気浄化機構の堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きいときに、所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させ、所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御することにより、捕集能力の低下した排気浄化機構を回復させると共に他の排気浄化機構の静電捕集能力を上げるので、全体的な捕集能力が低下するのを抑制することができる。
【０１０１】
請求項２記載の発明は、前記内燃機関の粒子状物質の排出量を推定し、推定された粒子状物質の排出量に基づいて各帯電手段に印加する電圧を制御することにより、粒子状物質の排出量の変化に対応して捕集能力を変えることができ、必要最小限の消費電力で粒子状物質を浄化することができる。
【０１０２】
請求項３記載の発明は、燃焼手段は捕集手段に担持された粒子状物質酸化触媒であることにより、排気温度によって活性化されると、捕集手段に堆積された粒子状物質を酸化燃焼して浄化することができる。
【０１０３】
請求項４記載の発明は、燃焼手段はバリア放電を発生させるための放電極であることにより、バリア放電によって捕集手段に堆積された多量の粒子状物質を燃焼して浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】コントローラの処理手順を説明するフローチャートである。
【図３】帯電用電極に印加される電圧の経時変化を示す図である。
【図４】帯電用電極によって帯電されたＰＭが捕集部によって捕集される状態を示す図である。
【図５】ＰＭ排出量を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。
【図７】（Ａ）はバリア放電極の構成を示す正面図であり、（Ｂ）はバリア放電極の側面断面図である。
【図８】コントローラの処理手順を説明するフローチャートである。
【図９】交流電源装置がバリア放電極に印加する交流電圧の波形図である。
【図１０】集塵極とバリア放電極の間で発生するバリア放電の状態を示す図である。
【図１１】帯電用電極に印加される直流電圧に対して集塵極によるＰＭ捕集量の関係を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る排気浄化装置のＰＭ浄化率と１段目のみのフィルタのＰＭ浄化率の比較結果を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ エンジンコントローラ
１０，５０ 反応ケース
１１，１３，５１，５６ 帯電用電極
１２，１４ 捕集部
２０，７１，７３ 直流電源装置
３０，８０ コントローラ
５２，５４，５７，５９ 集塵極
５３，５８ バリア放電極
７２，７４ 交流電源装置
７５，７６ 差圧計
Claims (5)
- 内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を帯電させる帯電手段と、前記帯電手段の対極として前記帯電手段より排気下流側に設けられ前記帯電手段で帯電された粒子状物質を捕集する捕集手段と、前記捕集手段で捕集された粒子状物質を燃焼させる燃焼手段と、を有し、排気の流れ方向に複数個配置された排気浄化機構と、
前記各排気浄化機構の粒子状物質の堆積量を計測する堆積量計測手段と、
前記堆積量計測手段で計測された堆積量の少なくとも１つが所定値よりも大きいときに、前記所定値よりも堆積量が多い排気浄化機構の燃焼手段で粒子状物質を燃焼させ、前記所定値よりも堆積量が少ない排気浄化機構の帯電手段の帯電能力を上げるように制御する制御手段と、
を備えた排気浄化装置。 - 前記内燃機関の粒子状物質の排出量を推定する排出量推定手段と、
前記排出量推定手段で推定された粒子状物質の排出量に基づいて、各帯電手段に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。 - 前記燃焼手段は、前記捕集手段に担持された粒子状物質酸化触媒であること
を特徴とする請求項１または２記載の排気浄化装置。 - 前記燃焼手段は、バリア放電を発生させるための放電極であること
を特徴とする請求項１または２記載の排気浄化装置。 - 前記堆積量計測手段は、前記各排気浄化機構による排気浄化前後の排気の差圧を前記堆積量として計測すること
を特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の排気浄化装置。
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