JP4174767B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気系に用いられ、排ガス中に含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置に関する。
内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、従来から、相対する一対の電極に高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）が提案されている。例えば特許文献１は、電極をなす一対の金網で繊維フィルタを挟み、これらを排ガスの流路中に配置した濾過型の装置を開示している。この装置では、繊維フィルタに捕集された排ガス中のＰＭ（Particulate Matter,粒子状物質）は、両電極間への高電圧の印加により発生されたプラズマのエネルギによりラジカル（フリーラジカル、遊離基）状態にされ、ＨＣはＨ２ＯとＣＯ２に変化し、ＣはＣＯ２に変化するとともに、ＰＭの一部は燃焼して焼却される。このような濾過型の装置では、排ガスが繊維フィルタを通過する際の排気抵抗に起因して、圧力損失が大きくなるという欠点がある。
他方、特許文献２のように、粒子状物質を捕集すべき筒状の外周電極と、その軸線に沿って延びる中心電極とを有し、両電極間への高電圧の印加によって発生させたプラズマを用いて、通過する排ガスを浄化するようにしたストレートフロー型または静電吸着型の排ガス浄化装置も提案されている。このような装置では、供給される排ガス中のＰＭが中心電極からの放電により帯電され、静電気力によってこれと逆極性である外周電極側に吸引されて堆積される。堆積されたＰＭは、両電極間への高電圧の印加に伴って発生する熱により焼却処理される。また排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘは、中心電極と外周電極との間に形成されるプラズマのエネルギにより、排ガス中の酸素と反応してＮ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏなどへと無害化することができる。上述した濾過型の装置に比して、静電吸着型の装置は、排気抵抗による圧力損失が小さいという利点をもつ。
しかし、このような静電吸着型の装置では、堆積の進行により燃え残りが生じがちとなる上、燃焼処理後に残留したアッシュは、特に外周電極内に吸着用のハニカム構造体を設置した場合に、セル断面積（開口面積）の減少により圧力損失の増大を生じさせ、処理性能低下の要因となってしまう。また、吸着されたＰＭは、堆積の進行によりＨＣ成分やＨ２Ｏなどによって互いに結合しその粒径が増大するが、これが高電圧による処理前に吸着面から剥がれて、装置の下流側へと排出されてしまうおそれがある。
そこで本発明の目的は、静電吸着型の装置における欠点を補い、未処理のＰＭの外部への排出を抑制できるような手段を提供することにある。
第１の本発明は、エンジンからの排ガス中の粒子状物質を静電気力により吸着して処理するための第１処理手段と、前記第１処理手段の排出側に設けられた主排気経路および副排気経路と、前記副排気経路中に設けられ排ガスを濾過して処理するための第２処理手段と、前記第１処理手段の排出側を前記主排気経路または前記副排気経路に選択的に接続する流路制御弁と、前記第１処理手段、前記第２処理手段および前記流路制御弁を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、所定の条件が満たされた場合に、前記第１処理手段による吸着を中止すると共に前記流路制御弁により前記第１処理手段の排出側を前記副排気経路に接続することを特徴とする排ガス浄化装置である。
第１の本発明では、流路制御弁によって、静電吸着型の第１処理手段の排出側を主排気経路および副排気経路に選択的に接続するので、副排気経路を選択し濾過型の第２処理手段を利用することにより、排ガスを濾過して未処理のＰＭの排出を抑制できる。また、制御手段が、所定の条件が満たされた場合に、第１処理手段による吸着を中止すると共に流路制御弁により第１処理手段の排出側を副排気経路に接続するので、ＰＭを剥離させ静電吸着型の第１処理手段を再生できると共にその際のＰＭの排出を抑制できる。
この所定の条件は、第２の本発明のようにエンジンの低回転時であることとしたり、第３の本発明のように排ガスの流量が所定値以下であることとしたり、あるいは第４の本発明のように、減速操作時であることとすれば、濾過型の装置である第２処理手段による圧力損失の影響を抑制することができる。
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。本実施形態の排ガス処理装置は、車両に適用されると好適なものであり、エンジン（不図示）の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、当該エンジンの排気経路中に組み込まれる。
図１に示されるように、排ガス浄化装置１は、静電吸着型のプラズマリアクタとして構成された捕集リアクタ１０と、濾過型のフィルタとして構成されたＰＭフィルタ２０とを含んでいる。捕集リアクタ１０の排出側に設けられた主排気経路１５の中途に、副排気経路１６が分岐状に接続されており、ＰＭフィルタは副排気経路の中途に設けられている。副排気経路１６の終端は、主排気経路１５に合流している。
捕集リアクタ１０は、エンジンからの排ガス中の粒子状物質を静電気力により吸着して処理するものである。捕集リアクタ１０は、概ね円筒形の容器１１と、容器１１の内部に配置された概ね円筒形の外周電極１２と、外周電極１２の内側に配置された略円柱形のハニカム構造体１３と、外周電極１２の長手方向軸心上に位置するようにハニカム構造体１３に挿通された細径棒状の中心電極１４とを有する。
外周電極１２および中心電極１４には、導電性・耐熱性・耐腐食性に優れた金属材料、例えばステンレス鋼を用いるのが好適であり、外周電極１２にはその板・箔・ワイヤネットまたはパンチング材を用いることができる。中心電極１４の上流側部分は外周電極１２に囲まれずに露出しており、この領域で排ガス中のＰＭが帯電されることになる。なお中心電極１４の上流側の端部近傍には、放電を促進するために枝状の突起を設けてもよい。
ハニカム構造体１３は周知のハニカムフィルタであって、炭化珪素の多孔質焼結体から構成されている。ハニカム構造体１３には、断面略正方形状の多数のセルがその軸線方向に沿って規則的に形成され、各セルは薄いセル壁によって互いに仕切られている。各セルの前端と後端はいずれも開放しており、これにより容器１１内の上流側と下流側とを連通させている。セル壁の表面には、白金族元素（例えばＰｔ等）やバナジウム、銅、マンガン、アルミナなどの金属元素及び金属酸化物等からなる酸化触媒が担持されている。
ＰＭフィルタ２０は、炭化珪素の多孔質焼結体から構成されたハニカムフィルタを主部材とし、その軸方向に形成された断面略正方形状の多数のセルを、互いに隣接する一対のセルのうち一方が前端を栓詰され、また他方が後端を栓詰されるように、規則的に栓詰してなる。これにより、ＰＭフィルタ２０の前端側から供給される排ガスは、前端開放のセルからＰＭフィルタ２０内に進入し、セル壁を透過し、これに隣接する後端開放のセルを通じてＰＭフィルタ２０の下流側に排出され、この過程でセル壁の孔径より大きい粒径をもつＰＭが捕集されることになる。
ＰＭフィルタ２０の前方側には、プラズマ発生器３０が設置されている。プラズマ発生器３０は、その内部およびＰＭフィルタ２０の近傍に滞留する排ガスを、高電圧の印加に伴う放電によりラジカル化し、Ｏ３およびＮＯ２を生成させるものである。プラズマ発生器３０は、概ね円筒形の容器３１と、容器３１の内部に配置された概ね円筒形の外周電極３２と、外周電極３２の長手方向軸心上に位置するように配置された細径棒状の中心電極３４とを有する。
外周電極３２および中心電極３４には、導電性・耐熱性・耐腐食性に優れた金属材料、例えばステンレス鋼を用いるのが好適であり、外周電極３２にはその板・箔・ワイヤネットまたはパンチング材を用いることができる。
捕集リアクタ１０の上流側には、前方管１８が接続され、その中途にはエンジンブレーキ時などの減速操作時にこれを閉塞するための制動弁１９が設けられている。主排気経路１５と副排気経路１６との分岐点の近傍には、主排気経路１５を開放または閉塞するための流路制御弁１７が設置されている。制動弁１９および流路制御弁１７はバタフライ弁である。
流路制御弁１７が主排気経路１５を閉塞すると、捕集リアクタ１０から排出された排ガスは副排気経路１６に流れることになる。また、流路制御弁１７が主排気経路１５を開放すると、排ガスは主排気経路１５および副排気経路１６の双方に進入するが、ＰＭフィルタ２０の流体抵抗が大きいため、排ガスは主として主排気経路１５に流れることになる。
図２において、捕集リアクタ１０およびプラズマ発生器３０に対して高電圧を印加するためのＤＣ高電圧電源回路５１および高電圧パルス電源回路５２は、それぞれ、インバータ回路・トランス・整流用のダイオード等を含むものである。ＤＣ高電圧電源回路５１および高電圧パルス電源回路５２には、これに給電するための直流電源（不図示）、例えば補機バッテリが接続されている。
装置全体を制御する電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）６０は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび不揮発性メモリ等を含むものである。ＥＣＵ６０の入力ポートには、捕集リアクタ１０の上流側およびＰＭフィルタ２０の下流側にそれぞれ設けられた温度・圧力センサ６１，６２、および、主排気経路１５であって副排気経路１６との合流点の下流側に設けられたＰＭ量センサ６３が接続されている。ＥＣＵ６０の入出力ポートには又、エンジン回転センサ６４、スロットル開度センサ６５、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ６６、吸気側に設けられたエアフローメータ６７、吸気マニホールドに設けられた吸気圧力センサ６８、排気マニホールドに設けられたＯ２センサ６９等が接続されており、ＥＣＵ６０では内燃機関の状態を示すこれらの検出信号に基づいて夫々の値が算出され、後述のとおり処理される。
ＥＣＵ６０の出力ポートには、上述したＤＣ高電圧電源回路５１および高電圧パルス電源回路５２に加え、制動弁１９を駆動するための制動弁駆動ソレノイド５３、および流路制御弁１７を駆動するための流路制御弁駆動ソレノイド５４が接続されている。
ＥＣＵ６０のＲＯＭには、制御プログラムと共に、後述する各種の関数や基準値が予め格納されている。ＥＣＵ６０は所定の制御プログラム等に従うと共に、各センサ類の検出値に基づいて排ガスの流量を算出し、この排ガス流量に基づいて、ＤＣ高電圧電源回路５１および高電圧パルス電源回路５２のインバータ回路を駆動するための駆動パルス信号（ゲート信号）や電圧指示信号を算出し出力する。電源回路５１，５２では、直流電源からの直流電圧がインバータ回路によって交流電圧に変換され、トランスによって昇圧させられると共にダイオードにより整流されて出力され、これにより捕集リアクタ１０およびプラズマ発生器３０に電圧が印加されることになる。
以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。図３のフロー図に示される処理ルーチンは、ＣＰＵ６０において一定時間Δｔごとに繰り返し実行される。まず、メモリクリア等の所定の初期化処理の後、各センサの検出値（すなわち、温度・圧力センサ６１，６２からの各排気温度および圧力、ＰＭ量センサ６３からのＰＭ流量、エンジン回転センサ６４からのエンジン回転数、スロットル開度センサ６５からのスロットル開度、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ６６からの空燃比、エアフローメータ６７からの排ガス流量、吸気圧力センサ６８からの吸気圧力、Ｏ２センサ６９からの酸素濃度など）が読み込まれる（Ｓ３０）。
次に、温度・圧力センサ６１，６２からの各排気圧力の差に基づいて、捕集リアクタ１０におけるＰＭ堆積量が算出され、所定の基準値と比較される（Ｓ３１）。また、エンジン回転数が所定の基準値と比較される（Ｓ３３）。ＰＭ堆積量が所定値を下回るか、またはエンジン回転数が所定値より大である場合には、流路制御弁１７がオープンされ（Ｓ３２）、これによって主排気経路１５が選択される。
ＰＭ堆積量が所定値以上であって、且つエンジン回転数が所定値以下である場合には、流路制御弁１７がクローズされ（Ｓ３４）、これによって副排気経路１６が選択される。また、捕集リアクタ１０への通電がオフされ（Ｓ３５）、これによって、捕集リアクタ１０におけるＰＭの吸着が中止され、それまでに捕集リアクタ１０のハニカム構造体１３に付着していたＰＭが、排気流により下流側に排出される。排出されたＰＭは副排気経路１６を経由して流れ、ＰＭフィルタ２０に濾過されて堆積する。
次に、プラズマ発生器３０の前回動作終了時からの累積選択時間が所定の基準値と比較される（Ｓ３６）。この累積選択時間は、流路制御弁１７によって副排気経路１６が選択されている累積時間であって、該時間は予めソフトウェアタイマにより計測してＣＰＵ６０の不揮発性メモリに格納しておくものとする。また、温度・圧力センサ６１における排気温度が所定の基準値と比較される（Ｓ３７）。副排気経路１６の累積選択時間が所定値以上であって、且つ排気温度が所定値以上である場合には、高電圧パルス電源回路５２が駆動されて、プラズマ発生器３０が一定時間Δｔだけ動作される（Ｓ３８）。プラズマ発生器３０の動作によって、排ガスはプラズマのエネルギによりラジカル（フリーラジカル、遊離基）状態にされ、ＨＣはＨ２ＯとＣＯ２に変化し、ＣはＣＯ２に変化するとともに、ＰＭの一部は燃焼して焼却される。
以上のとおり、本実施形態では、流路制御弁１７によって、静電吸着型の捕集リアクタ１０の排出側を主排気経路１５および副排気経路１６に選択的に接続するので、副排気経路１６を選択し濾過型のＰＭフィルタ２０を利用することにより、排ガスを濾過して未処理のＰＭの排出を抑制できる。
また本実施形態では、ＥＣＵ６０の制御により、所定の条件が満たされた場合に、捕集リアクタ１０による吸着を中止すると共に流路制御弁１７により捕集フィルタ１０の排出側を副排気経路１６に接続するので、ＰＭを剥離させ静電吸着型の捕集リアクタ１０を再生できると共にその際のＰＭの排出を抑制できる。
また、濾過型の装置であるＰＭフィルタ２０では、排ガスの流量が大であるほどＰＭフィルタ２０による圧力損失が増大することになるが、本実施形態では、エンジン回転数が所定値以下であることを捕集リアクタ１０の再生動作の条件としたので、ＰＭフィルタ２０による圧力損失の影響を抑制することができる。
なお、上記実施形態では、エンジン回転数が所定値以下であることを捕集リアクタ１０の再生動作の条件としたが、捕集リアクタ１０の再生動作の条件としては、車両の状態を示す他の物理量を選択することも可能である。例えば、排ガスの流量が所定値以下であることを捕集リアクタ１０の再生動作の条件としてもよく、この場合の排ガスの流量はエアフローメータ６７により検出される排ガス流量のほか、例えば吸気圧力センサ６８により検出される吸気マニホールドの吸気圧力に基づいて算出することができる。
また、減速操作時であることを捕集リアクタ１０の再生動作の条件としてもよく、この場合には、運転者によるアクセルペダルのオフ（エンジンブレーキ操作）やブレーキペダルのオンによる減速操作に伴って制動弁１９をクローズする制御と組み合わせることによって、ＰＭフィルタ２０の利用に伴う圧力損失の低減を更に抑制することができる。
また、上記実施形態では、捕集リアクタ１０やＰＭフィルタ２０におけるＰＭの堆積量を推定するためのパラメータとして、捕集リアクタ１０の前後における圧力差や、ＰＭフィルタ２０の累積選択時間を利用したが、ＰＭの堆積量を推定には更にＡ／Ｆ（空燃比）センサ６６に検出された空燃比やその積算値を考慮する等、他のパラメータを任意に利用することができる。
また、上記実施形態では捕集リアクタ１０に対し直流の高電圧を、またプラズマ発生器３０にパルス電圧を印加することとしたが、これら２つの処理手段に対する印加電圧の種類や波形も任意のものを採用でき、本発明に所期の効果を得ることができる。
１ 排ガス浄化装置
１０ 捕集リアクタ
１２，３２ 外周電極
１３ ハニカム構造体
１４，３４ 中心電極
１５ 主排気経路
１６ 副排気経路
１７ 流路制御弁
２０ ＰＭフィルタ
３０ プラズマ発生器
５４ 流路制御弁駆動ソレノイド
６０ ＥＣＵ
１０ 捕集リアクタ
１２，３２ 外周電極
１３ ハニカム構造体
１４，３４ 中心電極
１５ 主排気経路
１６ 副排気経路
１７ 流路制御弁
２０ ＰＭフィルタ
３０ プラズマ発生器
５４ 流路制御弁駆動ソレノイド
６０ ＥＣＵ
Claims (4)
- エンジンからの排ガス中の粒子状物質を静電気力により吸着して処理するための第１処理手段と、
前記第１処理手段の排出側に設けられた主排気経路および副排気経路と、
前記副排気経路中に設けられ排ガスを濾過して処理するための第２処理手段と、
前記第１処理手段の排出側を前記主排気経路または前記副排気経路に選択的に接続する流路制御弁と、
前記第１処理手段、前記第２処理手段および前記流路制御弁を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、所定の条件が満たされた場合に、前記第１処理手段による吸着を中止すると共に前記流路制御弁により前記第１処理手段の排出側を前記副排気経路に接続することを特徴とする排ガス浄化装置。 - 請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
前記エンジンの回転数が所定値以下であることを前記所定の条件としたことを特徴とする排ガス浄化装置。 - 請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
排ガスの流量が所定値以下であることを前記所定の条件としたことを特徴とする排ガス浄化装置。 - 請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
前記エンジンを搭載した車両が減速操作中であることを前記所定の条件としたことを特徴とする排ガス浄化装置。
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