JP4645563B2

JP4645563B2 - 内燃機関の排気浄化システム

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Publication number: JP4645563B2
Application number: JP2006247004A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2026-09-12
Also published as: JP2008069659A

Description

本発明は、排気通路に設けられ排気中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化システムとして、排気通路に設けられ排気中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を備えたものが知られている。排気中においてプラズマを発生させることで排気中のＯ_２が励起し、その結果、Ｏ_３が生じる。これにより、排気に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭと称する）の酸化を促進させることが出来る。また、プラズマが発生するとイオンによって排気中に含まれるＰＭの凝集が促進される。これにより、外部に放出されるＰＭの粒径を大きくすることが出来る。ＰＭの粒径が大きくなることで該ＰＭが人体内に侵入し難くなる。

また、特許文献１には、酸性または強酸性担体にアルカリ金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一種を担持した触媒の表面付近にプラズマを発生させる技術が開示されている。

特許文献２には、パティキュレートフィルタの内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を備え、パティキュレートフィルタの前後に該パティキュレートフィルタを保温するための酸化触媒を配置する技術が開示されている。
特開２００１−１０４７７９号公報特開２００５−８３３４６号公報

本発明は、排気通路に設けられ排気中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、プラズマ発生装置における短絡の発生を抑制することが出来る技術を提供することを目的とする。

本発明は、排気通路にプラズマ発生装置とは別に設けられた排気浄化装置に還元剤が供給されるときは、プラズマ発生装置への電圧の印加を停止させるかもしくはプラズマ発生装置に印加される電圧を低下させるものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
排気通路に設けられ排気中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
該プラズマ発生装置に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒を含んで構成される排気浄化装置と、
該排気浄化装置の性能を回復させるときに前記プラズマ発生装置よりも上流側から前記排気浄化装置に還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段によって前記排気浄化装置に還元剤が供給されるときは、前記電圧印加手段による前記プラズマ発生装置への電圧の印加を停止させるかもしくは前記電圧印加手段によって前記プラズマ発生装置に印加される電圧を低下させることを特徴とする。

還元剤供給手段によって供給された還元剤がプラズマ発生装置に付着するとプラズマ装置が短絡する虞がある。また、排気浄化装置がプラズマ発生装置よりも上流側に配置されている場合、還元剤供給手段によって排気浄化装置に還元剤が供給されると、該還元剤が
触媒において酸化されることで生じる水がプラズマ発生装置に付着する場合がある。この場合も、プラズマ装置が短絡する虞がある。

本発明によれば、還元剤供給手段から還元剤が供給されるときは、プラズマ発生装置への電圧の印加が停止される、もしくは、プラズマ発生装置に印加される電圧が低減される。これにより、プラズマ発生装置における短絡の発生を抑制することが出来る。

本発明においては、プラズマ発生装置よりも上流側の排気通路に、排気浄化装置もしくは該排気浄化装置とは別の酸化機能を有する触媒を備えてもよい。

これによれば、プラズマ発生装置よりも上流側の排気通路において排気に含まれるＰＭ（ＳＯＦや未燃燃料成分を含む）が酸化されるため、該ＰＭのプラズマ発生装置への付着が抑制される。そのため、プラズマ発生装置における短絡の発生を抑制することが出来る。

また、上記構成によれば、還元剤供給手段によって供給された還元剤が、プラズマ発生装置に到達する前に触媒において酸化される。そのため、該還元剤が、電圧が印加されていない状態のプラズマ発生装置に付着することも抑制することが出来る。

プラズマ発生装置への電圧の印加を停止させる場合において、電圧印加手段を制御してからプラズマ発生装置への電圧の印加が実際に停止するまでに電気的な応答遅れがある場合がある。同様に、プラズマ発生装置に印加される電圧を低下させる場合においても、電圧印加手段を制御してからプラズマ発生装置に印加される電圧が実際に目標値にまで低下するまでに電気的な応答遅れがある場合がある。

また、還元剤供給手段によって供給された還元剤がプラズマ発生装置に到達するまでにはある程度時間がかかり、この時間は排気の流量に応じて変化する。

そこで、本発明においては、電圧印加手段によるプラズマ発生装置への電圧の印加を停止させるかもしくは電圧印加手段によってプラズマ発生装置に印加される電圧を低下させる場合、電圧印加手段を制御してからプラズマ発生装置への電圧の印加が実際に変化するまでの時間、および、還元剤供給手段によって供給された還元剤がプラズマ発生装置に到達するまでの時間に基づいて、電圧印加手段を制御するタイミングを決定してもよい。

これにより、電圧が印加された状態のプラズマ発生装置に還元剤が付着するのをより確実に抑制することが出来る。また、プラズマ発生装置への電圧の印加を停止させている、もしくは、プラズマ発生装置に印加する電圧を低下させている期間を可及的に短い期間とすることが出来る。

本発明によれば、プラズマ発生装置における短絡の発生を抑制することが出来る。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関の吸排気系の概略構成＞
ここでは、本発明を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。この内燃機関１には、吸気通路３および排気通路２が接続されている。吸気通路３にはエアフローメータ７が設けられている。排気通路２には、排気中のＰＭを捕集するフィルタ４が設けられている。フィルタ４には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する）５が担持されている。尚、本実施例においては、フィルタ４およびＮＯｘ触媒５が本発明に係る排気浄化装置に相当する。

フィルタ４よりも上流側の排気通路２には排気中に還元剤として燃料を添加する燃料添加弁６が設けられている。尚、本実施例においては、この燃料添加弁６が本発明に係る還元剤供給手段に相当する。

また、フィルタ４より下流側の排気通路２には、排気中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置８が設けられている。該プラズマ発生装置８は電源９から電圧が印加されることによってプラズマを発生させる。尚、電源９にはコンデンサが用いられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０にはエアフローメータ７が電気的に接続されている。そして、その出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

また、ＥＣＵ１０には燃料添加弁６および内燃機関１の燃料噴射弁、電源９が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。

＜ＮＯｘ還元制御、ＳＯｘ被毒回復制御、フィルタ再生制御＞
本実施例においては、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく、所謂ＮＯｘ還元制御が行われる。また、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＳＯｘを還元すべく、ＳＯｘ被毒回復制御が行われる。また、フィルタ４に捕集されたＰＭを酸化させて除去すべく、所謂フィルタ再生制御が行われる。

本実施例に係るＮＯｘ還元制御では、燃料添加弁６から燃料を添加することで、フィルタ４に流入する排気、即ちＮＯｘ触媒５に流入する排気（以下、流入排気と称する）の空燃比をＮＯｘの還元が可能となる空燃比まで低下させ、それによって、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とする。これにより、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘが還元される。

本実施例に係るＳＯｘ被毒回復制御では、燃料添加弁６から燃料を添加することで、流入排気の空燃比をＳＯｘの還元が可能となる空燃比まで低下させ、それによって、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気を還元雰囲気とする。さらに、燃料添加弁６から添加されＮＯｘ触媒５に供給される燃料が該ＮＯｘ触媒５において酸化されるときの酸化熱によって該ＮＯｘ触媒５の温度をＳＯｘの還元が可能となる温度まで上昇させる。これにより、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＳＯｘが還元される。

本実施例に係るフィルタ再生制御では、燃料添加弁６から燃料を添加することでＮＯｘ触媒５に燃料を供給し、該燃料がＮＯｘ触媒５において酸化されるときの酸化熱によって該ＮＯｘ触媒５の温度をＰＭの酸化が可能となる温度まで上昇させる。これにより、ＰＭが酸化されフィルタ４から除去される。

上記ＮＯｘ還元制御およびＳＯｘ被毒回復制御、フィルタ再生制御における燃料添加弁６からの燃料の添加は間欠的に行われる。以下、ＮＯｘ還元制御およびＳＯｘ被毒回復制御、フィルタ再生制御を総称して性能回復制御と称する。

＜プラズマ発生装置による排気浄化＞
本実施例においては、フィルタ４およびＮＯｘ触媒５に加えて、プラズマ発生装置８によっても排気浄化が行われる。電源９がＯＮとなり該電源９からプラズマ発生装置８に電圧が印加されると、該プラズマ発生装置８において放電が起きプラズマが生じる。このように排気中においてプラズマが発生すると、排気中のＯ_２が励起し、その結果、Ｏ_３が生じる。このＯ_３によってフィルタ４に捕集されずに該フィルタ４よりも下流側に流出した排気中のＰＭを酸化させることが出来る。

もしくは、排気中においてプラズマが発生すると、イオンによって排気中のＰＭの凝集が促進される。それにより、排気通路２の下流端部から外部に放出されるＰＭの粒径を大きくすることが出来る。このようにＰＭの粒径が大きくなることで、該ＰＭが人体内に侵入し難くなる。

＜プラズマ装置への電圧印加停止制御＞
上述した性能回復制御が実行された場合、燃料添加弁６から添加された燃料の一部が、ＮＯｘ触媒５において酸化されず、もしくは、ＮＯｘやＳＯｘの還元に使用されずに、フィルタ４よりも下流側に流出する場合がある。このような燃料が、プラズマを発生させている、即ち電圧が印加されているプラズマ発生装置８に付着すると、該プラズマ発生装置８が短絡する虞がある。また、ＮＯｘ触媒５において燃料の酸化反応が起きたりＮＯｘやＳＯｘの還元反応が起きたりすると水が生じる。この水が、電圧が印加されているプラズマ発生装置８に付着すると、燃料が付着した場合と同様、該プラズマ発生装置８が短絡する虞がある。

そこで、本実施例では、性能回復制御の実行時に燃料添加弁６から燃料を添加するときは、電源９をＯＦＦにしプラズマ発生装置８への電圧の印加を停止する。

以下、プラズマ発生装置８への電圧印加停止制御のルーチンについて図２に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定の間隔で繰り返し実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、上述した性能回復制御のいずれかを実行する条件、即ち、燃料添加弁６からの燃料添加を実行する条件が成立したか否かを判別する。このＳ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は、電源９がＯＮとなっているか否か、即ち、プラズマ発生装置８に電圧が印加されているか否かを判別する。このＳ１０２において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０３に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０３において、ＥＣＵ１０は、プラズマ発生装置８への電圧の印加を停止させるべく電源９をＯＦＦにするタイミングを算出する。

上述したように、電源９にはコンデンサが用いられている。そのため、該電源９をＯＦＦにしてもコンデンサに蓄えられた電荷が放電されるまでの間はプラズマ発生装置８に電圧が印加される。つまり、電源９をＯＦＦにしてからプラズマ発生装置８への電圧の印加が実際に停止されるまでの間には応答遅れがある（以下、この応答遅れを電気的応答遅れと称する）。また、燃料添加弁６から添加された燃料がプラズマ発生装置８に到達するまでにはある程度時間がかかる（以下、この時間を燃料到達時間と称する）。この燃料到達
時間は排気の流量に応じて変化する。

そこで、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３において、エアフローメータ７によって検出される吸入空気量に基づいて燃料到達時間を算出する。そして、燃料添加弁６から添加された燃料がプラズマ発生装置８に到達する前にプラズマ発生装置８への電圧の印加が実際に停止されるような電源９をＯＦＦとするタイミングを、電気的応答遅れと燃料到達時間とに基づいて算出する。ここで、電源９をＯＦＦにするタイミングは、燃料添加弁６からの燃料添加の実行タイミングとのずれ量として算出される。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４に進み、燃料添加弁６による燃料添加を実行すると共に、Ｓ１０３において算出されたずれ量分だけ時期をずらして電源９をＯＦＦにする。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

尚、上述したように、性能回復制御における燃料添加弁６からの燃料添加は間欠的に行われる。そのため、燃料添加弁６による燃料添加の実行および停止に合わせて、プラズマ発生装置８への電圧の印加停止および再印加も繰り返し行われる。即ち、電源９のＯＦＦおよびＯＮが繰り返えされる。このとき、電源９をＯＮとするタイミングを、電源９をＯＦＦとするタイミングと同様、電気的応答遅れと燃料到達時間とに基づいて算出されたずれ量分だけ燃料添加弁６による燃料添加を停止するタイミングからずらした時期とする。

以上説明したように、本実施例によれば、燃料添加弁６による燃料添加が実行されるときは、プラズマ発生装置８への電圧の印加が停止される。これにより、燃料添加弁６から添加された燃料や、ＮＯｘ触媒５における燃料の酸化反応やＮＯｘまたはＳＯｘの還元反応によって生じた水が、電圧が印加された状態のプラズマ発生装置８に付着するのを抑制することが出来る。これにより、プラズマ発生装置８における短絡の発生を抑制することが出来る。

また、本実施例によれば、プラズマ発生装置８への電圧の印加を停止させるときに、電気的応答遅れおよび燃料到達時間を考慮したタイミングで電源９がＯＦＦにされる。そのため、電圧が印加された状態のプラズマ発生装置８に燃料が付着するのをより確実に抑制することが出来る。また、プラズマ発生装置８への電圧の印加を停止させている期間、つまり、プラズマの発生を停止させている期間を可及的に短い期間とすることが出来る。これにより、ＰＭの酸化や凝集を促進させることが可能となる。

また、本実施例においては、ＮＯｘ触媒５を担持したフィルタ４がプラズマ発生装置８よりも上流側の排気通路２に設けられている。これにより、燃料添加弁６から添加された燃料が、電圧が印加されていない状態のプラズマ発生装置８に付着することも抑制することが出来る。

また、このような構成によれば、プラズマ発生装置８よりも上流側において、排気中のＰＭがフィルタ４に捕集され、また、該ＰＭがＮＯｘ触媒５によって酸化される。そのため、ＰＭのプラズマ発生装置８への付着が抑制される。従って、ＰＭの付着に起因するプラズマ発生装置８における短絡の発生も抑制することが出来る。

＜変形例＞
ここで、本実施例の変形例について説明する。上記においては、燃料添加弁６による燃料添加を実行するときにはプラズマ発生装置８への電圧の印加を停止させた。しかしながら、本実施例の変形例では、燃料添加弁６による燃料添加を実行するときに、プラズマ発生装置８への電圧の印加を停止させずに、該電圧を通常時（燃料添加弁６による燃料添加を行わないとき）よりも低下させる。

以下、本実施例の変形例に係るプラズマ発生装置８への印加電圧低下制御のルーチンについて図３に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定の間隔で繰り返し実行されるルーチンである。尚、本ルーチンにおけるＳ１０１およびＳ１０２は、図２に示す電圧印加停止制御のルーチンと同様である。そのため、これらのステップについての説明は省略する。

本ルーチンでは、Ｓ１０２において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ２０３に進む。Ｓ２０３において、ＥＣＵ１０は、プラズマ発生装置８への印加電圧を低下させるべく電源９に電圧低下指令を出すタイミングを算出する。

プラズマ発生装置８への電圧の印加を停止させる場合と同様、電源９に電圧低下指令が出されてからプラズマ発生装置８に印加される電圧が実際に後述する目標低下量ΔＶｉｍ分低下するまでの間には電気的応答遅れがある。そこで、Ｓ２０３において、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁６から添加された燃料がプラズマ発生装置８に到達する前にプラズマ発生装置８への印加電圧が実際に目標低下量ΔＶｉｍ分低下するような電源９に電圧低下指令を出すタイミングを、電気的応答遅れと燃料到達時間とに基づいて算出する。ここで、電源９に電圧低下指令を出すタイミングは、燃料添加弁６からの燃料添加の実行タイミングとのずれ量として算出される。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０４に進み、目標低下量ΔＶｉｍを吸入空気量に基づいて算出する。ここで、目標低下量ΔＶｉｍとは、プラズマ発生装置８への印加電圧が該目標低下量ΔＶｉｍ分低下するとプラズマ発生装置８における短絡の発生を抑制することが可能と判断出来る閾値以上の値である。また、燃料添加弁６による燃料添加が実行されたときの排気の流量が少ないほど、即ち吸入空気量が少ないほど、プラズマ発生装置８における短絡が発生し易い。そのため、目標低下量ΔＶｉｍは吸入空気量が少ないほど大きい値に設定される。目標低下量ΔＶｉｍと吸入空気量との関係は実験等によって予め求められており、マップとしてＥＣＵ１０に記憶されている。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４に進み、燃料添加弁６による燃料添加を実行すると共に、Ｓ２０３において算出されたずれ量分だけ時期をずらして電源９に印加電圧を目標低下量ΔＶｉｍ分低下させるよう指令を出す。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

以上説明したプラズマ発生装置８への印加電圧低下制御によっても、プラズマ発生装置８における短絡の発生を抑制することが出来る。さらに、この場合、燃料添加弁６による燃料添加の実行中においてもプラズマ発生装置８によってプラズマ発生されることになる。そのため、プラズマによるＰＭの酸化および凝集をより促進させることが出来る。

尚、上記においては、プラズマ発生装置８への印加電圧を低下させる場合の目標低下量ΔＶｉｍを可変としたが、該目標低下量ΔＶｉｍを一定値としてもよい。

本実施例においては、フィルタ４に担持されたＮＯｘ触媒５もしくはフィルタ４に代えて、酸化触媒や三元触媒等の酸化機能を有する触媒を設けても良い。この場合も、触媒に付着したＳＯＦや未燃燃料成分を酸化させ除去すべく燃料添加弁６による燃料添加を行う。このときに、本実施例に係るプラズマ発生装置８への電圧印加停止制御またはプラズマ発生装置８への印加電圧低下制御を適用してもよい。

また、このような酸化機能を有する触媒を前段触媒とし、さらに、プラズマ発生装置８よりも下流側の排気通路２にＮＯｘ触媒を設けた構成としても良い。このような場合、Ｎ
Ｏｘ触媒よりも上流側の排気中において発生したプラズマによって該排気中のＮＯがＮＯ_２となる。ＮＯ_２はＮＯに比べてＮＯｘ触媒に吸蔵され易い。従って、このような構成によれば、プラズマ発生装置８における短絡の発生を抑制することが出来ると共に、外部へのＮＯｘの排出をより抑制することが出来る。

また、燃料添加弁６による燃料添加に代えて、内燃機関１において主燃料噴射の後に副燃料噴射を行うことで、性能回復制御におけるＮＯｘ触媒５への燃料の供給を行ってもよい。

実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図。実施例に係るプラズマ発生装置への電圧印加停止制御のルーチンを示すフローチャート。実施例に係るプラズマ発生装置への印加電圧低下制御のルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・吸気通路
４・・・パティキュレートフィルタ
５・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
６・・・燃料添加弁
７・・・エアフローメータ
８・・・プラズマ発生装置
９・・・電源
１０・・ＥＣＵ

Claims

排気通路に設けられ排気中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
該プラズマ発生装置に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒を含んで構成される排気浄化装置と、
該排気浄化装置の性能を回復させるときに前記プラズマ発生装置よりも上流側から前記排気浄化装置に還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段によって前記排気浄化装置に還元剤が供給されるときは、前記電圧印加手段による前記プラズマ発生装置への電圧の印加を停止させるかもしくは前記電圧印加手段によって前記プラズマ発生装置に印加される電圧を低下させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記プラズマ発生装置よりも上流側の前記排気通路に、前記排気浄化装置もしくは前記排気浄化装置とは別の酸化機能を有する触媒を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。
前記電圧印加手段による前記プラズマ発生装置への電圧の印加を停止させるかもしくは前記電圧印加手段によって前記プラズマ発生装置に印加される電圧を低下させる場合、前記電圧印加手段を制御してから前記プラズマ発生装置への電圧の印加が実際に変化するまでの時間、および、前記還元剤供給手段によって供給された還元剤が前記プラズマ発生装置に到達するまでの時間に基づいて、前記電圧印加手段を制御するタイミングを決定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。