JP4651470B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの浄化にプラズマ発生装置を用いる技術に関する。

リーバーンエンジン（主にディーゼルエンジン）の排気ガス浄化技術として、プラズマを用いる方法が提案されている。これは、排気ガスに放電により電磁エネルギーを与えて排気ガスをプラズマ化し、それにより有害物質の分解反応を促進し、直接の浄化反応あるいは触媒等による浄化反応を行わせる技術である。この技術に関しては、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。

一般にプラズマを生成するためには、交流放電による方法が利用されるが、この放電条件を制御し、浄化効率の向上を計ろうとする技術が各種提案されている。このような技術に関しては、特許文献２や特許文献３に記載されている技術が知られている。

特許文献２には、内燃機関の排気ガスにコロナ放電を加えて脱硝を行う構成において、内燃機関の運転状況に応じてコロナ放電を行う電極への放電電圧を制御する構成が記載されている。

特許文献３には、内燃機関の排気ガスに交流高電圧の印可による放電を行う構成において、放電を間欠的に行える構成とし、さらに排気ガスの流量に対応させて間欠的に行われる放電の間隔を制御する技術について記載されている。これらの技術は、排気ガスの浄化効率の向上、消費電力の低減を目的としている。
特開平６−１０６５２号公報 特開平５−５９９３４号公報 特開２００１−４６９１０号公報

しかしながら、上述したような従来の技術においては、消費電力の大幅な増大を招かずに浄化効率を追求することには限界があった。つまり、浄化効率を追従すると、必然的に消費電力を大きくしなければならなかった。

そこで本発明は、放電を利用した排気ガスの浄化技術において、消費電力の上昇を抑えつつ、浄化効率を高くすることができる技術を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、排気ガスに電圧を加える少なくとも一対の放電電極と、前記放電電極に供給する電圧の波形を制御する電圧制御手段と、内燃機関の負荷、排気ガスの流量、および浄化反応効率を検出する検出手段と、前記放電電極の温度を検出する電極温度検出手段とを備え、前記電圧の波形は、所定の基本波形が周期的に繰り返し存在する放電期間と、放電が行われない未放電期間とで構成されるバースト周期を含み、前記電圧制御手段は、前記検出手段の出力に応答して、前記基本波形の振幅、周期、連続繰り返し回数、および前記バースト周期の長さを調整し、前記放電電極の温度が上昇したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を減らす処理と前記バースト周期を長くする処理の少なくとも一方を実行し、前記放電電極の温度が低下したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を増やす処理と前記バースト周期を短くする処理の少なくとも一方を実行することを特徴とする。

内燃機関の負荷の検出は、例えば内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＰＭ（Particulate Matter（粒子状物質：例えばスス））の濃度を検出することで行われる。この場合、ＰＭ濃度が高ければ負荷が大きく、ＰＭ濃度が低ければ負荷が小さいと判断される。負荷を検出する方法としては、排気ガスのガス濃度を検出する方法、内燃機関のトルク負荷を検出する方法等を挙げることができる。

浄化反応効率は、排気ガスに放電を行った結果得られる浄化対象物質の浄化効率のことをいう。浄化反応効率の例としては、ＰＭの除去効率を挙げることができる。

以下、本明細書において用いる用語を説明する。基本波形というのは、その中に周期性を有する波形を２つ以上含まない最小単位の波形のことであり、正弦波、矩形波、三角波、パルス波等の周期性を有する波形の１周期の波形として定義される。例えば、図１は放電波形を説明する概念図であり、そこには、最小単位の波形として、符号１０１で示される基本波形が例示されている。

放電期間は、１周期を単位として基本波形が連続して繰り返される期間のことをいう。未放電期間は、放電が行われない期間のことをいう。例えば、図１に示す概念図においては、基本波形１０１の繰り返し回数が５回の放電期間と、３回の放電期間とが示されている。

１回の放電期間とそれに続く１回の未放電期間とを合わせた期間がバースト周期として定義される。放電期間と未放電期間の長さの比率は任意に調整可能である。例えば、バースト周期を固定した状態において、放電期間を長くすれば、その分、未放電期間は短くなる。また、基本波形の繰り返し回数は、１周期の基本波形が連続して繰り返される回数のことをいう。

第１の発明においては、内燃機関の負荷、排気ガスの流量、および浄化反応効率を検出し、その検出値に基づいて、基本波形の振幅、周期、連続繰り返し回数、およびバースト周期の長さを調整する。

後述するように、放電期間と未放電期間とを組み合わせた間欠的な放電においては、放電電圧（基本波形の振幅）を大きくすることで、浄化効率を向上することができる。しかも、この際に基本波形の繰り返し回数を減らすことで、消費電力の増加を抑えつつ浄化効率を高めることができる。つまり、放電電圧を高め、放電期間を短くすることで、消費電力を増加させずに有害物質の浄化効率を高めることができる。

この放電電圧を高めることは、瞬間的な放電エネルギーを高め、放電密度を大きくする作用がある。放電密度を高める方法としては、基本波形の繰り返し周波数を高くする方法（基本波形の周期を短くする方法）を採用することもできる。

また後述するように、バースト周期を最適化することで、消費電力を抑えつつ有害物質の浄化効率を追求することができる。

このように、基本波形の振幅、周期、連続繰り返し回数、およびバースト周期の長さを調整することで、排気ガス中の有害物質の除去効率と消費電力の抑制とを両立することができる。

第２の発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、排気ガスに電圧を加える少なくとも一対の放電電極と、前記放電電極に供給する電圧の波形を制御する電圧制御手段と、内燃機関の負荷、排気ガスの流量、および浄化反応効率を検出する検出手段と、前記放電電極の温度を検出する電極温度検出手段とを備え、前記電圧の波形は、所定の基本波形が周期的に繰り返し存在する放電期間と、放電が行われない未放電期間とで構成されるバースト周期を含み、前記電圧制御手段は、（１）前記内燃機関の負荷に応じて前記基本波形の振幅および／または周期を制御し、（２）前記浄化反応効率に応じて前記基本波形の連続繰り返し回数を制御し、（３）前記排気ガスの流量に応じて前記バースト周期を制御し、前記放電電極の温度が上昇したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を減らす処理と前記バースト周期を長くする処理の少なくとも一方を実行し、前記放電電極の温度が低下したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を増やす処理と前記バースト周期を短くする処理の少なくとも一方を実行することを特徴とする。

浄化効率に影響を与えるパラメータには、多様なものがあるが、単に浄化効率を追求した場合、それに応じて投入電力も増大してしまう。第２の発明によれば、センシングした物理量に対応して制御する対象を適切に選択することで、投入電力の増加を抑えつつ浄化効率を追求することができる。すなわち第２の発明においては、内燃機関の負荷が増大した場合には、基本波形の振幅を増大および／または基本波形の周期を短くし、放電エネルギーの密度を増加させる。こうすることで、負荷の増大に伴う浄化効率の低下を抑えることができる。なお、内燃機関の負荷が減少した場合には、基本波形の振幅を小さく、および／または基本波形の周期を長くすればよい。

また、浄化反応効率を監視し、浄化反応効率が所定の値より低下した際には、基本波形の繰り返し回数を多くする。この場合、バースト周期内における放電期間が長くなり、より長い時間の間、排気ガスに放電が加えられることになる。つまり、浄化反応効率が低下した際には、基本波形の繰り返し回数を多くし、それにより放電効率の低下を抑えるようにする。この場合、基本波形を繰り返す放電期間の後に、放電が行われない未放電期間があるので、投入電力を節約しつつ、浄化効率を確保することができる。なお、浄化効率が所定の値を越えた場合は、基本波形の繰り返し回数を減じればよい。

以下、浄化効率に対応させて基本波形の繰り返し回数を調整する意義を説明する。基本波形の電圧を調整することでも、浄化効率を高めることはできる。しかしながら、電源電圧の制限や発振系のデバイスの耐圧等の制限により、基本波形の電圧を無闇に大きくすることは適当でない。そこで、本発明においては、基本波形の電圧は負荷状態に応じて調整し、必要な反応率は、基本波形の繰り返し回数で調整するように役割を分担させる。こうすることで、電源電圧の制限や発振系のデバイスの耐圧等の制限がある中で、低消費電力を追求しつつ、高い浄化効率を得ることができる。

また、排気ガス流量を監視し、排気ガスの流量が増大した場合には、バースト周期を短くする。こうすることで、単位時間当たりにおける放電の電力密度を上げ、排気ガスの流量の増大に対応することができる。なお、排気ガスの流量が減少した場合には、バースト周期を長くすればよい。

例えば、放電電圧を高くする、基本波形の繰り返し周波数を高くする、基本波形の繰り返し回数を増やす、といった方法によっても排気ガスの流量の増大に対応することはできる。しかしながら、上述したように、基本波形の電圧を高くすることには、制限があり、基本波形の電圧を高くすることに頼ることは適当ではない。また、安定した放電を行う必要性から、基本波形の繰り返し周波数は、放電雰囲気の組成や圧力によって制限されるので、基本波形の繰り返し周波数を流量に応じて高くすることも適当ではない。また、基本波形の繰り返し回数を無闇に多くすることは、未放電期間の減少を招き、低消費電力を追求する上で好ましくない。したがって、排気ガス流量の増大に対しては、バースト周期を変化させて対応することが好ましい。

このように、センシングしているパラメータに応じて、制御するパラメータを限定することで、浄化効率と低消費電力の両方を追求することができる。

以下、本発明において用いられる放電波形の例を簡単に説明する。図２は、放電波形の例を示す概念図である。図２（Ａ）には、繰り返し回数２回の基本波形が示されている。

例えば低負荷状態において図２（Ａ）に示す放電波形の放電が行われていたとする。この状態において、負荷が上昇し、さらに排気ガス流量が増大したとする。負荷の上昇に対しては、基本波形の電圧（振幅）を大きくすると共に基本波形の繰り返し周波数を増大させる制御が行われる。また、排気ガス流量の増大に対しては、バースト周期を短くする制御が行われる。

この制御を図２（Ａ）に示す放電波形に対して行った後の放電波形の例が図２（Ｂ）に示されている。図２（Ｂ）に示す放電波形は、図２（Ａ）に示す放電波形に比較して、基本波形の電圧が高められ、また基本波形の周期が短く設定されている。また、バースト周期が短くなっている。

また、図２（Ｂ）に示す状況からさらに負荷が上昇した場合を考える。この場合、基本波形の電圧（振幅）をさらに大きくすると共に基本波形の繰り返し周波数をさらに増大させる制御が行われる。この制御が行われることで出力される放電波形を図２（Ｃ）に示す。図２（Ｃ）に示す放電波形は、図２（Ｂ）に示す放電波形に比較して、基本波形の電圧が高められ、また基本波形の周期が短く設定されている。

第１または第２の発明においては、放電電極間の温度を検出する電極間温度検出手段を備え、電圧制御手段は、放電電極間の温度に応じて、基本波形の連続繰り返し回数と、バースト周期とを制御することを必須としている。

例えばプラズマの連続的な使用や放電エネルギーの注入過多が発生すると、放電電極の温度が上昇する。電極温度が上昇すると、熱電子放出の割合が増加し、放電エネルギーが熱として消費される傾向が強くなり、有害物質の除去効率は低下する。

したがって、放電電極の温度を監視し、定常状態に対する温度の上昇が見られた時には、基本波形の連続繰り返し回数を減らす、および／またはバースト周期を長くする制御を行う。こうすることで、放電期間においてはエネルギーの高密度な状態が維持され、他方において未放電期間が相対的に長くなり、その期間が冷却期間となって放電電極の温度上昇が抑えられる。

なお、放電電極の温度上昇に伴い、放電電極間温度が上昇する。また結果として、プラズマ処理前とプラズマ処理後のガス温度差が定常状態に対して大きくなる。そこで、放電電極の温度を検出する方法としては、放電空間（プラズマ発生容器）の温度を検出する方法、プラズマ処理前とプラズマ処理後のガスの温度差を検出する方法等を挙げることができる。

また、この態様を利用することで、放電電極の温度を積極的に制御することもできる。例えば、プラズマ反応成分の発熱反応が局所的に集中して起こった場合や、排ガスの温度上昇が急激であった場合は、放電電極の急激な温度上昇が発生し、アーク放電に至る場合がある。アーク放電は、プラズマの生成効率が悪く、浄化効率の低下を招くので好ましくない。このような場合、放電電極の温度に対応させて、基本波形の連続繰り返し回数とバースト周期を制御することで、放電電極の温度を所定の適切な温度になるように調整することができる。こうすることで、効果的な放電に最適な電極温度を設定することができる。

本発明によれば、基本波形の振幅、周期、連続繰り返し回数、およびバースト周期の長さを調整することで、排気ガス中の有害物質の除去効率と消費電力の抑制とを両立することができる。

（１） 実施形態
（実施形態の構成）
以下、本発明の排気ガス浄化装置をディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭ（Particulate Matter（粒子状物質：ここで対象にするのはスス））を除去するシステムに適用した一例を説明する。

図３は、本発明を利用した排気ガス浄化システムを示すブロック図である。図３には、ディーゼルエンジン３０１、ＰＭ濃度センサー３０２、流量センサー３０３、プラズマ発生装置３０４、ＰＭ濃度センサー３０５、負荷状態算出装置３０６、反応効率算出装置３０７、電圧制御装置３０８および温度センサー３０９が示されている。

ディーゼルエンジン３０１の用途としては、乗用車のエンジン、トラックのエンジン、バスのエンジン、鉄道のエンジン、船舶のエンジン、発電機のエンジン等を挙げることができる。この例においては、ディーゼルエンジン３０１から排出された排気ガスは、ＰＭ濃度センサー３０２、流量センサー３０３、プラズマ発生装置３０４、ＰＭ濃度センサー３０５の順で流れてゆく。なお、ＰＭ濃度センサー３０５から流れ出た排気ガスは、図示しない触媒コンバータや消音装置等を経て、環境に排気される。

ＰＭ濃度センサー３０２は、プラズマ発生装置３０４に入る前段階において、ディーゼルエンジン３０１から排気された排気ガス中におけるＰＭ濃度を検出する。また、その検出値の信号を負荷状態算出装置３０６および反応効率算出装置３０７に送る。流量センサー３０３は、ディーゼルエンジン３０１から排出された排気ガスの流量を検出し、その検出値の信号を電圧制御装置３０８に送る。

プラズマ発生装置３０４は、後述する図４に示す基本構造を有し、排気ガスに対して放電を行って排気ガスをプラズマ化し、ＰＭを分解し、浄化する機能を有する。この例では、放電によって排気ガスが電離状態や活性状態になり、排気ガス中に含まれるススが一酸化炭素や二酸化炭素に変わる作用が得られる。これにより、排気ガス中に存在するススを浄化することができる。

プラズマ発生装置３０４は、電圧制御装置３０８により制御される。制御されるのは、放電電圧（基本波形の振幅）、基本波形の繰り返し回数、基本波形の周期（繰り返し周波数）、およびバースト周期である。ＰＭ濃度センサー３０５は、プラズマ発生装置を通過した排気ガス中におけるＰＭ濃度を検出し、その検出値の信号を反応効率算出装置３０７に送る。

負荷状態算出装置３０６は、ＰＭ濃度センサー３０２が検出したＰＭ濃度に基づいてディーゼルエンジン３０１の負荷状態を算出する。ここでは、ＰＭ濃度が高ければ高負荷であり、ＰＭ濃度が低ければ低負荷であることが判断される。また、負荷状態算出装置３０６は、ＰＭ濃度と負荷状態との関係を決めるデータテーブルを記憶したメモリを備えている。このデータテーブルを利用して、検出されたＰＭ濃度から負荷状態が算出される。

反応効率算出装置３０７は、ＰＭ濃度センサー３０２のＰＭ計測値とＰＭ濃度センサー３０５のＰＭ計測値とを比較し、プラズマ発生装置３０４におけるＰＭ浄化効率を算出する。そして算出結果をプラズマ発生装置３０４に送る。

電圧制御装置３０８は、プラズマ発生装置３０４の放電条件を制御する。この制御は、負荷状態算出装置３０６において算出される負荷状態、反応効率算出装置３０７において算出される反応効率、流量センサー３０３から出力される排気ガスの流量、および温度センサー３０９が検出する電極温度に基づいて行われる。制御内容については後述する。

電圧制御装置３０８は、後述する内容の動作を制御するＣＰＵ（図示せず）、プログラムや各種データを記憶したメモリ（図示せず）、他の装置との通信を行うインターフェース（図示せず）を備えている。このメモリには、後述する制御時における処理手順を決めるプログラム、および各種の制御に必要なデータが記憶されている。すなわち、電圧制御装置３０８内のメモリには、負荷状態（あるいはＰＭ濃度）と放電電圧および放電周期との関係を決めるデータテーブル、反応効率と基本放電波形の繰り返し回数との関係を決めるデータテーブル、排気ガスの流量とバースト周期との関係を決めるデータテーブル、電極温度とバースト周期および基本放電波形の繰り返し回数との関係を決めるデータテーブルが記憶されている。なお、これらのデータテーブルの内容としては、予め最適な組合せを実験的に求めておいたものを用いる。

温度センサー３０９は、プラズマ発生装置３０４の電極温度を検出し、その検出データを電圧制御装置３０８に送る機能を有する。この例では、放電電極の電極温度の検出を、放電電極の一つの温度を検出することで行っている。

図４は、図３におけるプラズマ発生装置３０４の概要を示す概念図である。図４に示すプラズマ発生装置３０４は、正極４０１、負極４０２、正極４０３、アルミナ板４０４および４０５、放電空間４０６および４０７、電圧発生装置４０８、および温度センサー３０９を備えている。

プラズマ発生装置３０４においては、負極４０２を挟むように一対の正極４０１と４０３とが配置されている。負極４０２はアース電位に接続され、正極４０１と４０３とは、電圧発生装置４０８に接続されている。

放電は、正極４０１と負極４０２との間の放電空間４０６、および正極４０３と負極４０２との間の放電空間４０７において行われる。排気ガスは、放電空間４０６および４０７内を矢印４０９で示す向きに流れ、その間に放電を受ける。放電が行われることで排気ガスに含まれるＰＭ（この場合対象としているのはスス）が分解され、ＰＭの浄化が行われる。

また正極４０１の放電空間４０６に向いた面、および負極４０２の放電空間４０７に向いた面には、アルミナ板４０４および４０５が配置されている。アルミナのような誘電体を電極の放電空間側の表面に配置することで、アーク放電等の異常放電を防止し、安定した放電を実現することができる。

電圧発生装置４０８は、電圧制御装置３０８によって制御され、この例においては後述するような電圧波形を生成し、それを放電電極（正極４０１と負極４０２）に供給する。制御される対象は、基本波形の振幅と周期（周波数）、基本波形の連続繰り返し回数、バースト周期である。温度センサー３０９は、正極４０３の温度を検出し、その検出信号を電圧制御装置３０８に送る。

（実施形態の動作）
図５は、図３に示す排気ガス浄化システムの動作の一例を示すフローチャートである。プラズマ発生装置３０４の制御が開始されると、まずディーゼルエンジン３０１の負荷状態の取得が行われる（ステップＳ５０１）。この例では、ディーゼルエンジン３０１の排気ガス中に含まれるＰＭ濃度をＰＭ濃度センサー３０２により計測し、その計測値に基づいて負荷状態が算出される。ここでは、ＰＭ濃度が高い場合に高負荷であり、ＰＭ濃度が低い場合に低負荷である旨が取得される。

負荷状態を取得したら、電圧制御装置３０８内のメモリに記憶されたデータテーブルが参照され、ステップＳ５０１において検出した負荷状態に合わせた放電電圧と放電周期が読み出される。そしてこの読み出された放電電圧と放電周期を指示する信号が電圧制御装置３０８からプラズマ発生装置３０４に送られる。こうして、負荷状態に合わせた放電電圧と放電周期の調整が行われる（ステップＳ５０２）。

ステップＳ５０２においては、負荷が大きい場合（ＰＭ濃度が高い場合）に放電電圧を大きくし、同時に放電周期（基本波形の放電周期）を短くする制御が行われる。

次に、プラズマ発生装置３０４における反応効率の取得が行われる（ステップＳ５０３）。この反応効率の取得は、反応効率算出装置３０７において、ＰＭ濃度センサー３０２と３０５のＰＭ濃度の検出値を比較することで行われる。この際、ＰＭ濃度センサー３０２において検出されたＰＭ濃度に比較して、ＰＭ濃度センサー３０５において検出されたＰＭ濃度が小さい程、反応効率がより高いことになる。そして取得した反応効率に対応する基本放電波形の繰り返し回数がメモリから読み出され、その旨を指示する信号が電圧制御装置３０８からプラズマ発生装置３０４に送られる。こうして、反応効率に基づいて、基本放電波形の繰り返し回数の調整が行われる（ステップＳ５０４）。

次に流量センサー３０３を利用して、排気ガスの流量を検出する（ステップＳ５０５）。そして、検出した排気ガスの流量に応じたバースト周期を電圧制御装置３０８内のメモリから読み出し、その旨を指示する制御信号が電圧制御装置３０８からプラズマ発生装置３０４に送られる。こうして、排気ガスの流量に応じたバースト周期の調整が行われる（ステップＳ５０６）。

ステップＳ５０６においては、排気ガスの流量が増大した場合にバースト周期を短くし、排気ガスの流量が減少した場合にバースト周期を長くする調整が行われる。

次に温度センサー３０９を利用して、他方の正極４０３の温度を検出し（ステップＳ５０６）、その検出温度に基づいてバースト周期と基本放電の繰り返し回数を調整する（ステップＳ５０７）。この場合、電極の温度が上昇した場合にバースト周期を長くし、さらに基本放電の繰り返し回数を少なくする調整が行われる。また、電極の温度が低下した場合には、これとは逆の調整が行われる。

次に制御の終了か、を判断し（ステップＳ５０８）、制御終了であれば、制御を終了し、そうでなければステップＳ５０１の前段階に戻る。

（２） 実験結果
以下、本発明を排気ガス中からのＰＭ（Particulate Matter（粒子状物質：この場合はスス））の除去に利用した場合の効果を検証した結果について説明する。ここでは、図３に示すシステムを用いてデータの収集を行った。

以下、データを得た条件を説明する。まず、ディーゼルエンジン３０１は、水冷４サイクルディーゼル（３気筒）であり、総排気量は１０６１ｃｍ^３、使用燃料はディーゼル軽油、定格出力が１２ｋＶＡのものを利用した。

排気ガス中におけるＰＭ量は、図示しないフィルタを用いた捕集による重量法によって測定した。すなわち、所定量の排気ガスをサンプリングし、市販のフィルタ（０．３μｍメッシュ）によってＰＭを捕集し、捕集前後の重量差をＰＭ重量とした。

ここでは、正極４０１および４０４、負極４０２は、厚さ１．０ｍｍ、サイズ２０ｍｍ×５０ｍｍのステンレス板で構成されたものを用いた。また、アルミナ板４０４と４０５は、厚さ０．５ｍｍのものを用いた。また、アルミナ板４０４と負電極４０２との間、およびアルミナ板４０５と正電極４０３との間の間隔は、それぞれ０．５ｍｍとした。

またプラズマ発生装置３０４に流入する排気ガスの流量を８．５Ｌ／ｍｉｎとし、その温度が２１４℃になるように図示しないヒータにより排気ガス温度を調整した。また、図１に示すような放電波形は、基本波形３０００Ｈｚのバースト波形とした。また、基本波形の電圧値は、６．６ｋＶｐ−ｐと７．０ｋＶｐ−ｐの２種類を利用した。

（その１）実施例１
基本波形を６．６ｋＶｐ―ｐの正弦波（３０００Ｈｚ）とし、基本波形の繰り返し回数は２回、バースト周期は３００Ｈｚとした。この時の消費電力は４．７Ｗであった。この条件において、バースト周期は、基本波形の周期の１０周期分の長さがある。よってこの場合は、基本波形が２回繰り返される放電期間の後に、基本放電波形８回分の未放電期間があることになる。

（その２）実施例２
基本波形を７．０ｋＶｐ―ｐの正弦波（３０００Ｈｚ）とし、基本波形の繰り返し回数は１回、バースト周期は３００Ｈｚとした。この時の消費電力は４．５Ｗであった。

（その３）実施例３
基本波形を７．０ｋＶｐ―ｐの正弦波（３０００Ｈｚ）とし、基本波形の繰り返し回数は２回、バースト周期は３００Ｈｚとした。この時の消費電力は５．３Ｗであった。

（その４）実施例４
基本波形を７．０ｋＶｐ―ｐの正弦波（３０００Ｈｚ）とし、基本波形の繰り返し回数は３回、バースト周期は３００Ｈｚとした。この時の消費電力は８．７Ｗであった。

（その５）実施例５
基本波形を７．０ｋＶｐ―ｐの正弦波（３０００Ｈｚ）とし、基本波形の繰り返し回数は２回、バースト周期は１５０Ｈｚとした。この時の消費電力は２．６Ｗであった。

（その６）実施例６
基本波形を７．０ｋＶｐ―ｐの正弦波（３０００Ｈｚ）とし、基本波形の繰り返し回数は２回、バースト周期は６００Ｈｚとした。この時の消費電力は１０．６Ｗであった。

（その７）比較例
６．６ｋＶｐ―ｐの正弦波（３００Ｈｚ）を連続して投入した連続波形の放電を行った。この際の消費電力は５．８Ｗであった。

実施例および比較例の条件、消費電力、ＰＭ浄化率をまとめたものを下記表１に示す。

図６は、実施例１〜４および比較例のＰＭ浄化率と消費電力との関係を示す線図である。図７は、実施例３、５および６におけるバースト周期とＰＭ浄化率との関係を示すデータプロット図である。ここで、ＰＭ浄化率は、プラズマ発生装置４０７を通過させることにより、減少するＰＭの割合（重量比）である。ＰＭ浄化率は、プラズマ発生装置４０７を通過する前の段階において、排気ガス中に含まれているＰＭ量をプラズマ処理前ＰＭ量とし、プラズマ発生装置４０７を通過した後の段階において、排気ガス中に含まれているＰＭ量をプラズマ処理後ＰＭ量とした場合に、ＰＭ浄化率＝１００×（（プラズマ処理前ＰＭ量−プラズマ処理後ＰＭ量）／プラズマ処理前ＰＭ量）で算出される。

図６を見ると、実施例１は、ＰＭ浄化率が約７５％であるのに比較して、比較例はＰＭ浄化率が約５０％である。また、実施例１は消費電力が４．７Ｗであるの比較して、比較例は、５．８Ｗである。つまり、実施例１は、比較例より低い消費電力でありながら、高いＰＭ浄化率を得ることができる。

この違いは、実施例１が３０００Ｈｚの基本波形を２回繰り返し、次に８周期分の未放電期間があるという間欠放電を行っているのに対して、比較例が３００Ｈｚの基本波形を連続して発振している点に起因する。このことから、基本波形の周波数を高くし、未放電期間を設定することで、ＰＭ浄化率を高効率に行えることが分かる。すなわち、電力の消費方法として、放電エネルギーの低い基本波形を連続することで電力を消費するよりも、放電エネルギーの高い基本波形と未放電期間とを組み合わせ、放電を高密度化した方が、ＰＭ浄化率の効率を上げることができる。つまり、満遍なくエネルギーを印可するよりも、瞬間的に高エネルギーを印可した方が、ＰＭ浄化の効率を高めることができる。

また、実施例１は、比較例に比べて消費電力が少ないのに、ＰＭ浄化率が高くなっている。これは、同じ条件であるならば、連続放電より間欠放電の方がＰＭ浄化率を高くできることを意味している。

実施例２は、ＰＭ浄化率が約８３％であるのに比較して、比較例はＰＭ浄化率が約５０％である。また、実施例２は消費電力が４．５Ｗであるのに対して、比較例は、５．８Ｗである。

実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２は消費電力がより少なく、しかもＰＭ浄化率が大きい。実施例１と２の違いは、実施例２では、基本波形の繰り返し回数が１回（実施例１は２回）であるが、基本波形の電圧が７．０ｋVｐ−ｐ（実施例１は６．６ｋVｐ−ｐ）である点にある。つまり、実施例２は、実施例１に比べて、基本波形の電圧を６％程高くし、一方で基本波形の繰り返し回数を２回から１回に少なくしている。

バースト周期が同じ（３００Ｈｚ）であり、基本波形の繰り返し回数を減らしたのにもかかわらず、ＰＭ浄化率を大きくできたのは、基本波形の電圧を６％程増加させた効果であるといえる。

このことから、排気ガスの流量が一定の条件において、消費電力の増加を招かないでＰＭの浄化率を高くするには、基本波形の電圧を高くし、同時に基本波形の繰り返し回数を減らすことが効果的であることが結論される。つまり、基本波形の振幅と基本波形の繰り返し回数を調整することで、ＰＭ浄化率と低消費電力との両要素を追求することができる。

次に実施例２〜４を比較する。実施例２〜４の条件の違いは、基本波形の繰り返し回数の違いにある。基本波形の繰り返し回数を増やしてゆくと、図６から明らかなように、ＰＭ浄化率は上昇する。ただし、ＰＭ浄化率の上昇割合より消費電力の上昇割合の方が大きくなる。

次に実施例３、５および６を比較する。実施例３、５および６の条件の違いは、バースト周期の違いである。すなわち実施例３のバースト周期は（１／３００）秒（３００Ｈｚ）、比較例５のバースト周期は（１／１５０）秒（１５０Ｈｚ）、比較例６のバースト周期は（１／６００）秒（６００Ｈｚ）である。

図７から読み取れるように、バースト周期がある程度短いと（バースト周期を時間で把握した場合、その値がある程度長いと）ＰＭ浄化率は低下する。なお、実施例３と実施例６とを比較すれば明らかなように、ＰＭ浄化率と低消費電力の追求を目的とした場合におけるバースト周期には、最適な範囲がある。すなわち、バースト周期の設定により、排気ガスが反応器内を通過する間に発生する放電期間（基本波形、基本波形の周期、基本波形の繰り返し回数で設定される）の回数が決まる。一方、１回の放電期間で処理できる排ガス流量に対して、実際の排ガス流量が多い場合、排ガスが反応器内を通過する間に発生する放電期間は、数回必要となる。例えば、望ましい放電期間回数は、（実際の排ガス流量／１回の放電期間で処理できる排ガス流量）を目安に計算される。したがって、反応器に入ってくる排ガス流量によってバースト周期の長さを調整することで、排ガス流量に応じた最適な放電期間回数を設定することができ、ＰＭ浄化率と低消費電力を追求することができる。

以上の実証データから明らかなように、放電と未放電を繰り返す間欠的な放電形態において、基本放電波形の電圧、基本放電波形の繰り返し回数、およびバースト周期を調整することで、消費電力を抑えつつ、プラズマ反応による浄化効率を高めることができる。

本発明は、自動車リーンバーンエンジンから排出される排気ガスの浄化、船舶等に備えた内燃機関から排出される排煙の浄化、および発電機等の内燃機関から排出される排煙の浄化等に利用することができる。

発明において利用する放電波形を説明する概念図である。 発明において利用する放電波形の種類を説明する概念図である。 発明を利用した排気ガス浄化システムの一例を示すブロック図である。 プラズマ発生装置の一例を示す概念図である。 図３に示す排気ガス浄化システムの動作の一例を示すフローチャートである。 各実施例におけるＰＭ浄化率のデータを示す線図である。 バースト周期とＰＭ浄化率との関係を示すデータプロット図である。

符号の説明

１０１…基本放電波形、３０１…ディーゼルエンジン、３０２…ＰＭ濃度センサー、３０３…流量センサー、３０４…プラズマ発生装置、３０５…ＰＭ濃度センサー、３０６…負荷状態算出装置、３０７…反応効率算出装置、３０８…電圧制御装置、３０９…温度センサー、４０１…正極、４０２…負極、４０３…正極、４０４…誘電体（アルミナ板）、４０５…誘電体（アルミナ板）、４０６…放電空間、４０７…放電空間、４０８…電圧発生装置、４０９…排気ガスの流れる方向。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、
   排気ガスに電圧を加える少なくとも一対の放電電極と、
   前記放電電極に供給する電圧の波形を制御する電圧制御手段と、
   内燃機関の負荷、排気ガスの流量、および浄化反応効率を検出する検出手段と、
   前記放電電極の温度を検出する電極温度検出手段とを備え、
   前記電圧の波形は、所定の基本波形が周期的に繰り返し存在する放電期間と、放電が行われない未放電期間とで構成されるバースト周期を含み、
   前記電圧制御手段は、前記検出手段の出力に応答して、前記基本波形の振幅、周期、連続繰り返し回数、および前記バースト周期の長さを調整し、
   前記放電電極の温度が上昇したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を減らす処理と前記バースト周期を長くする処理の少なくとも一方を実行し、
   前記放電電極の温度が低下したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を増やす処理と前記バースト周期を短くする処理の少なくとも一方を実行することを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、
   排気ガスに電圧を加える少なくとも一対の放電電極と、
   前記放電電極に供給する電圧の波形を制御する電圧制御手段と、
   内燃機関の負荷、排気ガスの流量、および浄化反応効率を検出する検出手段と、
   前記放電電極の温度を検出する電極温度検出手段と
   を備え、
   前記電圧の波形は、所定の基本波形が周期的に繰り返し存在する放電期間と、放電が行われない未放電期間とで構成されるバースト周期を含み、
   前記電圧制御手段は、
   （１） 前記内燃機関の負荷に応じて前記基本波形の振幅および／または周期を制御し、
   （２） 前記浄化反応効率に応じて前記基本波形の連続繰り返し回数を制御し、
   （３） 前記排気ガスの流量に応じて前記バースト周期を制御し、
   前記放電電極の温度が上昇したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を減らす処理と前記バースト周期を長くする処理の少なくとも一方を実行し、
   前記放電電極の温度が低下したときに前記基本波形の連続繰り返し回数を増やす処理と前記バースト周期を短くする処理の少なくとも一方を実行することを特徴とする排気ガス浄化装置。
3. 前記検出手段は、前記放電電極の上流側と下流側に設けられて粒子状物質の濃度を検出する濃度検出手段を含み、前記電圧制御手段は、前記濃度検出手段の検出結果に基づいて前記浄化反応効率を監視し、浄化反応効率が所定値より低下したときに前記基本波形の繰り返し回数を増やす処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。

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