JP5605498B2 - 粒子状物質処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子状物質処理装置に関する。

内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることにより粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＰＭを凝集させることにより、ＰＭの粒子数を減少させることができる。また、ＰＭの粒子径が大きくなるため、下流側にフィルタを設けたときに該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。また、コロナ放電を利用した粒子状物質処理装置において、放電電極の絶縁を確保する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、コロナ放電を発生させると、強い放電に起因する高速電子により、ＰＭが粉砕されてしまい、微細化される。そうすると、ＰＭを凝集させる効果が低くなる。このため、ＰＭの粒子径が小さくなり且つＰＭの粒子数が増加してしまう。

特開２００６−１９４１１６号公報 特開２００６−３４２７３０号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の凝集を促進させることを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による粒子状物質処理装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極と、
前記電極を通る電流を検出する検出装置と、
前記検出装置により検出される電流にパルス電流が発生したか否か判定する判定装置と、
前記判定装置によりパルス電流が発生したと判定された場合に、前記印加電圧を現時点よりも低減させる制御装置と、
を備える。

そうすると、電極を通る電流にパルス電流が発生することを抑制できる。ここで、パルス電流が発生したときには、電極において強い放電が発生していると考えられる。この強い放電によりＰＭが微細化される虞がある。これに対し、パルス電流が発生したときに、印加電圧を低減させることにより、強い放電が発生することを抑制できる。なお、コロナ放電やアーク放電などの強い放電を発生させないような印加電圧であっても、ＰＭを凝集させることができる。したがって、パルス電流が発生したときに印加電圧を低減させてパルス電流の発生を抑制すれば、ＰＭが微細化されることを抑制しつつＰＭを凝集させることができる。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記判定装置によりパルス電流が発生していないと判定された場合に、前記印加電圧を現時点よりも増加させることができる。

ここで、パルス電流が発生しない範囲で印加電圧をより大きくすることにより、ＰＭがより凝集しやすくなる。すなわち、パルス電流が発生しない範囲で印加電圧を増加させることにより、ＰＭの凝集を促進させることができる。なお、パルス電流が発生しない範囲で印加電圧が最大となるようにフィードバック制御を行ってもよい。

また、本発明においては、前記排気通路に設けられ前記電極が設置される処理部と、
前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
を備え、
前記検出装置は、前記接地部において電流を検出することができる。

すなわち、検出装置は、電極よりも電位の基準点側において電流を検出してもよい。一般に、電極より電源側では、電極より接地側よりも、配線が長かったり、配線を太くしたりする。また、電極よりも電源側では電荷が蓄えられることもある。そうすると、仮に電極よりも電源側において電流を検出した場合には、電極において強い放電が発生しても、そのときに検出装置により検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。このため、パルス電流を検出することが困難な場合もある。

一方、電極より接地側では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため、電極より接地側において電流を検出した場合には、強い放電が発生したときにパルス電流を検出しやすい。したがって、電極よりも接地側において電流を検出することで、強い放電が発生したことをより確実に検出することができる。このため、強い放電が発生したときに印加電圧をより確実に低減することができるため、ＰＭの凝集をより促進させることができる。

また、絶縁部を備えることにより、接地部以外に電気が流れることを抑制できる。このため、強い放電が発生したときにパルス電流をより正確に検出することができる。

また、本発明においては、前記処理部よりも前記電極のほうの電位が低くてもよい。

ここで、処理部よりも電極のほうの電位を低くすると、ＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力や排気の流れにより処理部の内壁へ向かって移動する。処理部の内壁に到達したＰＭは、処理部に電子を放出するため、電極よりも接地側に電気が流れる。そして、電子を放出したＰＭは、近くに存在する他のＰＭと凝集するため、粒子数を減少させることができる。

また、本発明においては、前記判定装置は、前記検出装置により検出される電流をハイパスフィルタに通して高周波成分が抽出された場合に、パルス電流が発生したと判定することができる。

ハイパスフィルタによれば、高周波成分を抽出し、低周波成分を遮断することができる。ここで、低周波成分は、ＰＭが帯電することにより生じる電流である。また、高周波成分は、強い放電により発生するパルス電流である。ここで、印加電圧が大きくなるほど、検出装置により検出される電流は大きくなる。このため、電流の最大値のみを検出しただけでは、印加電圧が大きなために電流の最大値が大きくなっているのか、パルス電流が発生しているために電流の最大値が大きくなっているのか区別できない場合もある。これに対し、ハイパスフィルタにより高周波成分を抽出すれば、印加電圧によらずにパルス電流を検出することができる。

本発明によれば、粒子状物質の凝集を促進させることができる。

実施例に係る粒子状物質処理装置の概略構成を示す図である。 検出装置により検出される電流の推移を、印加電圧ごとに示した図である。 実施例に係る印加電圧の制御フローを示したフローチャートである。 機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。 内燃機関からの排出ガス量とＰＭ粒子数とから、印加電圧を算出するためのマップの一例を示した図である。 図２に示した電流をハイパスフィルタに通して、高周波成分のみを抽出したときの図である。 実施例に係る粒子状物質処理装置の概略構成を示す他の図である。

以下、本発明に係る粒子状物質処理装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る粒子状物質処理装置１の概略構成を示す図である。粒子状物質処理装置１は、例えばガソリン機関の排気通路２に設けられる。なお、ディーゼル機関の排気通路に設けることもできる。

粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。なお、本実施例においてはハウジング３が、本発明における処理部に相当する。

排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間に電気が流れないようにしている。

ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。このため、電極５の端部はハウジング３の中心軸近傍に位置する。また、電極５とハウジング３との間に電気が流れないように、電極５には電気の絶縁体からなる碍子部５１が設けられている。この碍子部５１は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。

そして、電極５は電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。

また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。そして、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。なお、本実施例においては接地側電線５３が、本発明における接地部に相当する。

なお、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温度センサ７３、エアフローメータ７４が接続されている。アクセル開度センサ７１は、内燃機関が搭載されている車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、機関回転数を検出する。温度センサ７３は、内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、内燃機関の吸入空気量を検出する。

このように構成された粒子状物質処理装置１では、電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出される。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３へと放出される。ハウジング３へ電子を放出したＰＭは凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、ＰＭの粒子数は低減する。すなわち、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つＰＭの粒子数を低減させることができる。

なお、本実施例では、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げているが、これに代えて、下流側に向けて折り曲げてもよい。ここで、本実施例のように、電極５を排気の流れの上流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し難い。すなわち、碍子部５１よりも上流側においてＰＭを帯電されることができるため、該ＰＭがハウジング３の内周面に向かう。このため、碍子部５１に衝突するＰＭが減少するので、該碍子部５１にＰＭが付着し難くなる。しかし、電極５を排気の流れの上流側へ向けて折り曲げると、排気の流れから力を受けて電極５が変形し易い。このため、電極５が短い場合に適している。一方、電極５を排気の流れの下流側に向けて折り曲げると、碍子部５１にＰＭが付着し易いが、排気の流れから力を受けても電極５が変形し難い。このため、耐久性及び信頼性が高く、電極５を長くすることができる。

ところで、電極５に印加する負の電圧を大きくすると、電極５からより多くの電子が放出されるため、ＰＭの粒子数をより減少させることができる。しかし、電極５への印加電圧を大きくし過ぎると、コロナ放電やアーク放電などの強い放電が起こり得る。このような強い放電が起こると、高速電子によりＰＭが微細化されてしまう。したがって、ＰＭの粒子数を減少させるためには、コロナ放電などの強い放電が起こるよりも低い電圧に調節するとよい。

ここで、電極５において強い放電が起こると、電極５を通る電流が急激に上昇した後すぐに下降する。図２は、検出装置９により検出される電流の推移を、印加電圧ごとに示した図である。印加電圧が大きくなるほど、検出装置９により検出される電流が大きくなる。そして、印加電圧が比較的小さいときに検出される電流は略一定になる。電流が略一定のときには、強い放電は発生していない。しかし、電極５から放出される電子によりＰＭが負に帯電し、該ＰＭがハウジング３に電子を放出しているために電流が検出される。すなわち、コロナ放電などの強い放電が発生していなくても、ＰＭを凝集させることができる。

一方、印加電圧が比較的大きくなると、検出装置９により検出される電流が大きくなると共に、パルス電流が発生する。そして、印加電圧が大きくなるほど、パルス電流が発生する頻度が高くなる。このパルス電流は、コロナ放電などの強い放電により発生する。

そこで本実施例では、パルス電流が発生したときに印加電圧を小さくする。これにより、パルス電流が発生することを抑制し、ＰＭの粒子数が増加することを抑制する。一方、パルス電流が発生するまでは、印加電圧を大きくする。これにより、印加電圧を可及的に高くすることができるため、ＰＭの粒子数をより減少させることができる。なお、パルス電流が発生する前に、パルス電流が発生する予兆を電流から読み取って、パルス電流が発生する前に印加電圧を小さくしてもよい。

図３は、本実施例に係る印加電圧の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１からＳ１０３において、ＰＭ粒子数（個／ｃｍ^３）を算出している。ＰＭ粒子数は、一立方センチメートルあたりのＰＭ粒子の数である。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。

このため、ステップＳ１０１では、機関回転数及び機関負荷が取得される。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、ステップＳ１０２では、内燃機関の温度が取得される。内燃機関の温度は温度センサ７３により検出される。

ステップＳ１０３では、ＰＭ粒子数が算出される。ここで、図４は、機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。この関係は、内燃機関の温度に応じて制御装置７が複数記憶している。そして、検出された内燃機関の温度に応じたマップを用いて機関回転数及び機関負荷からＰＭ粒子数を求める。このマップは、予め実験等により求められる。なお、このようなマップを用いてＰＭ粒子数を検出してもよいが、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を検出してもよい。

そして、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で算出されるＰＭ粒子数に基づいて電極５への印加電圧が算出される。この印加電圧は、電極５へ最初に印加する電圧である。そして、ステップＳ１０４で算出される印加電圧を初期値として、パルス電流が発生しない範囲で印加電圧が最も大きくなるようにフィードバック制御を行う。すなわち、本ステップでは、パルス電流が発生しない範囲で最も大きな印加電圧に到達するまでの時間を短縮するために印加電圧の初期値を設定している。印加電圧の初期値は図５に基づいて設定される。

図５は、内燃機関からの排出ガス量（ｇ／ｓｅｃ）とＰＭ粒子数（×１０^５個／ｃｍ^３）とから、印加電圧（Ｖ）を算出するためのマップの一例を示した図である。このマップは、予め実験等により求められる。内燃機関からの排出ガス量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。

ここで、排出ガス量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、ＰＭが凝集しやすくなる。したがって、排出ガス量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、排出ガス量が少ないほど、印加電圧を小さくする。また、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、ＰＭ粒子数が多いほど、印加電圧を小さくする。

なお、印加電圧の初期値は、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような値としてもよい。また、印加電圧の初期値を予め定めておいた規定値としてもよい。この規定値は、パルス電流が発生しないように余裕を持たせた値とすることができる。

そして、印加電圧が算出された後、ステップＳ１０５へ進み、電流が取得される。この電流は、検出装置９により検出される値である。このときに検出される電流は、たとえば図２に示したように推移する。

そして、ステップＳ１０６では、電流の高周波成分が存在するか否か判定される。パルス電流は、電流の高周波成分として抽出可能である。そこで、検出装置９により検出される電流をハイパスフィルタに通して、高周波成分を抽出する。図６は、図２に示した電流をハイパスフィルタに通して、高周波成分のみを抽出したときの図である。このように、ハイパスフィルタを通したことにより高周波成分が抽出された場合に、高周波成分が存在すると判定される。

なお、電流の高周波成分が存在するか否かは、電流の標準偏差が所定値よりも大きいか否かに基づいて判定することもできる。ここで、ｎ回検出される電流の標準偏差Ｓを以下の式により算出する。

ただし、Ｉｍは検出電流、Ｉａｖｅは検出電流の平均値である。

算出された標準偏差Ｓが所定値Ｓｍａｘよりも大きいか否か判定し、大きな場合には高周波成分が存在すると判定する。所定値Ｓｍａｘは、高周波成分の有無を判定するための固定値であり、予め実験等により求めておく。また、たとえば、検出電流の上昇率が閾値以上で且つ上昇量が閾値以上の場合に、高周波成分が存在すると判定することもできる。なお、本実施例においてはステップＳ１０６を処理する制御装置７が、本発明における判定装置に相当する。そして、ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０７では、パルス電流の発生を抑制するために、印加電圧が減少される。印加電圧を減少する量は、予め実験等により最適値を求めておいてもよい。

そして、ステップＳ１０８では、高周波成分が存在しないか否か判定される。すなわち、印加電圧が減少したことによりパルス電流が発生しなくなったか否か判定している。この判定は、ステップＳ１０６と同様に行う。ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合には、本ルーチンを終了させる。一方、ステップＳ１０８で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０７へ戻り、印加電圧が再度減少される。このように、パルス電流が発生しなくなるまで印加電圧が減少される。

一方、ステップＳ１０６で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０９では、印加電圧が増加される。これにより、ＰＭの凝集を促進させる。印加電圧を増加する量は、予め実験等により最適値を求めておいてもよい。

そして、ステップＳ１１０では、高周波成分が存在するか否か判定される。すなわち、印加電圧が増加したことによりパルス電流が発生したか否か判定している。この判定は、ステップＳ１０６と同様に行う。ステップＳ１１０で肯定判定がなされた場合には、パルス電流の発生を抑制するためにステップＳ１０７へ進む。一方、ステップＳ１１０で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０９へ戻り、印加電圧が再度増加される。このようにして、パルス電流が発生するまで印加電圧が増加される。

このように、印加電圧をフィードバック制御することで、パルス電流が発生しない範囲で印加電圧を可及的に高くすることができる。これにより、ＰＭの凝集をより促進させることができるため、ＰＭ粒子数をより減少させることができる。

なお、本実施例では、印加電圧の初期値を０又は比較的小さな値として、高周波成分が検出されるまで印加電圧を徐々に増加してもよい。一方、印加電圧の初期値を比較的大きな値とし、高周波成分が検出されたときに印加電圧を減少させてもよい。このときの印加電圧の初期値は、強い放電が発生し得る値としてもよい。この場合、印加電圧の増加は行わなくてもよい。すなわち、ステップＳ１０６で否定判定がなされたときに、ステップＳ１０９及びステップＳ１１０を実行せずに処理を終了させてもよい。

ここで、図７は、本実施例に係る粒子状物質処理装置１００の概略構成を示す図である。図１に示す粒子状物質処理装置１と異なる点について説明する。

図７に示す粒子状物質処理装置１００では、電源６と、電極５と、の間の電源側電線５２に、該電源側電線５２を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。このように、検出装置９を電源側電線５２に設けることにより、図１に示される絶縁部４は必要ない。すなわち、ハウジング３から排気通路２側へ電気が流れたとしても、検出装置９によれば電極５を通る電流を検出することができる。

このように構成された粒子状物質処理装置１００においても、電極５を通る電流を検出することができる。しかし、一般に、電源側電線５２のほうが接地側電線５３よりも、径が太く且つ長さが長くなるため、電気的な容量が大きくなる。したがって、コロナ放電などの強い放電が発生したとしても、パルス電流を検出し難くなる。このため、図１に示した粒子状物質処理装置１のほうが、強い放電をより正確に検出することができるので、該強い放電をより効果的に抑制することができる。

１ 粒子状物質処理装置
２ 排気通路
３ ハウジング
４ 絶縁部
５ 電極
６ 電源
７ 制御装置
８ バッテリ
９ 検出装置
２１ フランジ
３１ フランジ
５１ 碍子部
５２ 電源側電線
５３ 接地側電線

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ印加電圧を変更可能な電極と、
   前記電極を通る電流を検出する検出装置と、
   前記検出装置により検出される電流にパルス電流が発生したか否か判定する判定装置と、
   前記判定装置によりパルス電流が発生したと判定された場合に、前記印加電圧を現時点よりも低減させる制御装置と、
   を備える粒子状物質処理装置。
2. 前記制御装置は、前記判定装置によりパルス電流が発生していないと判定された場合に、前記印加電圧を現時点よりも増加させる請求項１に記載の粒子状物質処理装置。
3. 前記排気通路に設けられ前記電極が設置される処理部と、
   前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
   前記処理部を接地させる接地部と、
   前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
   を備え、
   前記検出装置は、前記接地部において電流を検出する請求項１または２に記載の粒子状物質処理装置。
4. 前記処理部よりも前記電極のほうの電位が低い請求項３に記載の粒子状物質処理装置。
5. 前記判定装置は、前記検出装置により検出される電流をハイパスフィルタに通して高周波成分が抽出された場合に、パルス電流が発生したと判定する請求項１から４の何れか１項に記載の粒子状物質処理装置。

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