JP5929734B2

JP5929734B2 - 内燃機関の排ガス処理装置

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Publication number: JP5929734B2
Application number: JP2012273060A
Authority: JP
Inventors: 良彦松井; 勇貴梅本; 信行佐竹
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: JP2014118850A

Description

本発明は、内燃機関の排ガスに含まれる粒子状物質を、コロナ放電を利用して帯電凝集させる凝集部を備える排ガス処理装置、特に放電プラグの絶縁性を維持するための構成および制御に関する。

近年の燃費向上要求に対し、自動車用ガソリンエンジンにおいて、筒内に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンの導入が進められている。一方、筒内噴射方式では、環境や健康への影響が懸念される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレートマター）が排出されやすく、直噴ガソリンエンジンにおいても、排出粒子数等の規制が強化される傾向にあることから、対策が急務となっている。

粒子状物質を含む排気ガスの後処理装置として、一般には、ハニカム構造のパティキュレートフィルタが知られるが、粒子のすり抜けを防止するためにフィルタの孔径を小さくすると目詰まりしやすく、捕集効率と低圧損が相反する関係にある。特に、直噴ガソリンエンジンから排出される粒子状物質は、ディーゼルエンジンに比し粒子径がより小さい微小粒子（例えば、約１００ｎｍ）に排出粒子直径分布が存在することが判明しており、パティキュレートフィルタの有効性に限界がある。

そこで、コロナ放電を利用した電気集塵による後処理装置が検討されている。この装置は、放電プラグの高電圧電極と円筒管状の接地電極を対向させて配し、両電極の間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて、粒子状物質を帯電凝集させる凝集部を備える。このような凝集部を、直噴ガソリンエンジンの排気通路の途中に設置すると、微小粒子を凝集粒子化してＰＭ粒子数を低減し、イオン風とクーロン力の作用で捕集することができるので、圧損を増加させることなく浄化性能を向上させる効果が期待される。

ところで、低温始動時やエンジン負荷の変動時等に、排気管に流入する粒子状物質が増大すると、放電プラグの絶縁碍子部に粒子状物質が衝突して付着しやすくなる。電気抵抗の低い煤を含む粒子状物質が堆積すると、碍子表面に電流が流れるため、安定した電圧を印加できなくなり、電気集塵効果が得られなくなる問題がある。これに対して、火力発電所等のプラントでは、電気集塵装置に碍子室を設けて、碍子部にオイルやガスを流すことでＰＭ付着抑制を行なっているが、自動車等への適用は、システムの複雑化、スペース確保、コスト高といった問題から困難であった。

特許文献１では、絶縁碍子部へのＰＭ付着による絶縁性の低下を回復するように、高電圧電源部から放電電極への電圧印加状態を制御する通電制御部を設けることが提案されている。通電制御部は、ＰＭ付着による過電流を検出したら、印加電圧を上昇させて、碍子部の表面に沿面放電を発生させ、付着成分を除去する。また、碍子部は、放電部の外周を囲む部分が途切れる境界領域を窪ませて環状凹部を形成し、粒子状物質が流れ込みにくく、付着しにくい空間を形成して絶縁性の低下を抑制している。

特開２００６−１０５０８１号公報

ところが、特許文献１の構成を直噴ガソリンエンジンに適用し、通電による回復制御を実施したところ、必ずしもＰＭ除去に十分な効果が得られない不具合が生じた。その一因は、碍子部の環状凹部の大きさやＰＭ付着状態が、通電によるＰＭ酸化に大きく影響し、酸化が起こる場合と起こらない場合が生じること、さらに、直噴ガソリンエンジンでは、混合気の空燃比が理論空燃比となる領域での燃焼制御（いわゆるストイキ制御）が主となるために、排気中に酸素が少ない状態となりやすいこと、にあると推測される。

その結果、通電してもＰＭ酸化・除去ができないおそれがあり、絶縁性回復がなされないと、リーク電流量が増大してコロナ放電が安定せず、集塵捕集能力の低下およびエネルギロスの増大をまねく。そこで、本願発明は、コロナ放電を利用した排ガス処理装置、特に、絶縁碍子部の形状および付着したＰＭを除去する回復制御手法を見直すことによって、絶縁碍子部の絶縁性を確実かつ効果的に回復し、浄化性能およびエネルギ効率を向上することを目的とする。

本発明請求項１の排ガス処理装置は、内燃機関の排気管路に接続される筒状ハウジングと該筒状ハウジングに取り付けられる放電プラグを有し、上記筒状ハウジング内の放電空間にコロナ放電を生起して排ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる凝集部と、高電圧電源から上記放電プラグへの通電を制御する放電制御部を備えており、
上記放電プラグは、上記放電空間に先端側が露出する高電圧電極と、該高電圧電極の基端側外周を保持する絶縁碍子部と、該絶縁碍子部の中間部外周を保持し、接地電極となる上記筒状ハウジングに固定される取付金具とからなり、かつ、上記放電空間において、上記高電圧電極と上記絶縁碍子部の端縁部との間または上記絶縁碍子部と上記取付金具の端縁部との間またはその両方に環状溝部を有しており、
上記放電制御部は、上記放電プラグの上記絶縁碍子部への粒子状物質の付着による電流上昇を検出するＰＭ付着検出手段と、この粒子状物質の付着が検出された時に上記放電空間における排ガス中の酸素濃度が所定濃度となるタイミングを判断し、または酸素濃度を所定濃度に調整する酸素濃度制御手段と、所定の酸素濃度条件において高電圧を印加して粒子状物質の付着部位に沿面放電を生起するＰＭ酸化処理手段と、粒子状物質が排出される運転条件であるか否かに基づいて上記凝集部の作動を判断する判定手段と、粒子状物質が排出される運転条件である時に、酸素濃度に基づいて排ガス状態に応じた放電電流量でコロナ放電を生起するための印加電圧を決定する印加電圧決定手段とを備え、該印加電圧決定手段は、酸素濃度が理論空燃比における酸素濃度よりも高い時に、印加電圧を、理論空燃比における印加電圧よりも増加させることを特徴とする。

本発明請求項２の装置は、上記放電プラグが、上記放電空間において、上記高電圧電極の外表面と上記絶縁碍子部の端縁部内周面との間に第１の環状溝部を、上記絶縁碍子部の外表面と上記取付金具の端縁部内周面との間に第２の環状溝部を有している。

本発明請求項３の装置は、上記酸素濃度制御手段が、上記放電空間の酸素濃度が所定濃度以上か否かを判断し、否定判定された時には内燃機関の燃料カット運転条件まで待機する制御を行なう。

本発明請求項４の装置は、上記酸素濃度制御手段が、上記放電空間の酸素濃度が所定濃度以上か否かを判断し、否定判定された時には上記排気管から上記放電空間に供給される酸素濃度を上昇させる制御を行なう。

本発明請求項５の装置は、上記酸素濃度制御手段が、上記放電空間に供給される酸素濃度を上昇させる制御を、エンジン停止指令時またはアイドルストップ時に実施する。

本発明請求項６の装置は、上記印加電圧決定手段が、粒子状物質が排出される運転条件である時に、排ガス流量及び排ガス温度と、酸素濃度とに基づいて印加電圧を決定する。

本発明請求項７の装置は、上記ＰＭ付着検出手段が、印加電圧に対応する定常電流値と実測電流値の差異および変化率から粒子状物質の付着による電流上昇を検出し、上記ＰＭ酸化処理手段が、沿面放電の電流値を定常電流値より大きく空間放電に至らない範囲に制限する。

本発明請求項８の装置は、上記放電制御部が、印加電圧に対応する定常電流値と実測電流値の差異および変化率から上記放電プラグの上記絶縁碍子部の被水による電流上昇を検出する被水検出手段を有する。

請求項１の排気浄化装置は、放電制御部が、凝集部の放電プラグに高電圧を印加して放電空間内にコロナ放電を発生させ、排気ガスに含まれる粒子状物質を帯電凝集する。ここで、放電プラグの絶縁碍子部に、電気抵抗の低い粒子状物質が付着し、碍子表面に電流が流れると、電気集塵効果が低下することから、絶縁碍子部と高電圧電極または取付金具との間に環状溝部を形成して、電流リーク経路を分断しやすくしている。さらに、絶縁碍子部の表面における電流リークが増大した場合には、これをＰＭ付着検出手段が検知して、ＰＭ酸化処理手段により所定の高電圧を印加する。この時、絶縁碍子部の内外周に形成される環状溝部の一部において付着した粒子状物質が形成するブリッジ状の部位に電流が集中して赤熱し、次いで沿面放電が生じて、碍子表面の粒子状物質を酸化する。

さらに、直噴ガソリンエンジン等でストイキ制御の場合は、放電空間内に酸化に必要な酸素が存在しないと回復制御が困難となるが、酸素濃度制御手段が、適切なタイミングかどうかを判断し、あるいは所定の酸素濃度条件として、効果的に粒子状物質を酸化除去する。よって、放電プラグの絶縁性を容易に回復し、安定した電圧を印加可能となるので、凝集部の集塵効果を最大限に発揮できる。

好適には、絶縁碍子部の内外に第１、第２の環状溝部を形成して、電流リーク経路をより分断しやすくし、容易に回復制御可能としている。酸素濃度制御手段は、酸素濃度が所定濃度以上でない場合に燃料カット時まで待機し、またはエンジン停止、アイドルストップ時に大気を導入することで、効果的に所定の酸素濃度とし、速やかに回復制御を実施できる（請求項２〜５）。また、排ガス条件等によって放電特性が変わるので、予め排ガス流量、温度、酸素濃度に応じた放電特性マップを持つことで、電流リークを容易に判別し、さらに電流値を適切に制御することで、沿面放電による粒子状物質の酸化除去を効果的に実現できる（請求項６、７）。また、電流リーク特性の違いを利用して、絶縁碍子部の被水を検出し、適切に対処することで破損等の不具合を回避できる（請求項８）。

第１実施形態における内燃機関の排ガス処理装置の全体概略構成図である。第１実施形態の放電プラグにおける粒子状物質付着のメカニズムを説明するための図である。第１実施形態の排ガス処理装置の主要部である凝集部の全体断面図である。第１実施形態に用いられる放電プラグの側面図および正面図である。放電プラグの構成の一例を示す一部断面図および要部拡大図である。放電プラグの構成の他の例を示す一部断面図および要部拡大図である。放電制御部で実施される放電制御処理のフローチャート図である。凝集部のＰＭ個数低減性能と放電電流量またはエンジン排ガス流量との関係、をそれぞれ示す図である。凝集部の放電電流量と印加電圧、酸素濃度または排ガス温度との関係をそれぞれ示す図である。コロナ放電時の電圧−電流特性と酸素濃度との関係を示す図である。放電制御部で実施される回復制御処理において、ＰＭ付着による電流リークを判別するための処理を示すフローチャート図である。絶縁碍子部へのＰＭ堆積によるリーク挙動を、被水によるリーク挙動と比較して示す図である。燃料カット時の回復制御処理のタイムチャート図である。エンジン停止時の回復制御処理のタイムチャート図である。過渡運転時の車速変化と燃料カットのタイミングと時間を時の回復制御処理のタイムチャート図である。ガス流入時およびガス停止時の電圧−電流特性を比較して示す図である。回復制御処理における印加電圧と放電電流および放電状態の関係を調べた結果を示す図である。本発明の効果を示す図で、回復制御処理前後の放電特性を新品の放電プラグの放電特性と比較して示した図である。

以下、図面に基づいて、本発明を適用した内燃機関の排ガス処理装置の第１実施形態について説明する。図１Ａにおいて、排ガス処理装置は、エンジンＥの排気管ＥＸ途中に設置され、放電プラグ２を備える凝集部１と、放電プラグ２に接続される高電圧電源Ｐと、高電圧電源Ｐから放電プラグ２への通電を制御する放電制御部としてのＥＣＵ（電子制御装置）６によって構成される。エンジンは、例えば、筒内に燃料を直接噴射する方式の直噴ガソリンエンジンであり、運転状態によりエンジンから排出される燃焼排気ガス（以下、適宜排ガスと称する）に煤を主体とする粒子状物質（以下、適宜ＰＭと称する）が含まれる。

本実施形態において、排気管ＥＸには、凝集部１の上流に２つのＮＯｘ触媒８１、８２が直列に配置され、排ガスは、これらＮＯｘ触媒８１、８２と凝集部１にて処理された後、マフラーＭを通過して、大気に排出される。２つのＮＯｘ触媒８１、８２は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒その他の公知の触媒であり、ＮＯｘ処理性能を向上させるために、任意に選択して組み合わせることができる。例えば、前段のＮＯｘ触媒８１を小容量として早期活性化による始動時の排ガス処理を可能にし、さらに後段の大容量のＮＯｘ触媒８２を組み合わせて、広い温度領域でＮＯｘ浄化を可能とすることができる。

図２は、排ガス処理装置の主要部である凝集部１であり、円筒状ハウジングＨの両端が、図１Ａの排気管ＥＸに接続される。凝集部１は、ハウジングＨの上部壁に固定される放電プラグ２を有し、放電プラグ２の下半部が位置するハウジングＨの内部を排気通路１１としている。本実施形態の凝集部１は、図２の左方を排気ガス流れの上流側、右方を下流側とし、ハウジングＨの左端開口部をエンジンからの排気ガスが導入される入口部１２として説明する。

放電プラグ２は、先端側が放電空間となる排気通路１１に露出し、基端側外周が絶縁碍子部３に保持される高電圧電極２１を有し、絶縁碍子部３の中間部外周を保持する取付金具４にて、ハウジングＨの取付部Ｈ１に取り付けられる。取付部Ｈ１は、ハウジングＨから上方に突出する筒状部で内周面にねじ部が形成され、取付金具４を螺挿してナットで締結する。ハウジングＨは車体に接続されており、排気通路１１壁となるハウジングＨの内周壁は接地電位の集塵電極５となっている。

図３に詳細を示す放電プラグ２は、絶縁碍子部３から露出する高電圧電極２１の先端側を放電部２２とする。放電部２２は、Ｌ字状に屈曲しハウジングＨの中心軸に沿って配置される棒状支持体２３と、その外周に固定され軸方向に等間隔で配置される多数の放電体２４を有している。放電体２４は、ガス流れに対向するように配置された星型形状の板状体で、外周に多数の突起状電極２５が放射状に配置されている。高電圧電極２１の基端側端部は端子部２６となる。突起状電極２５を均等配置することによって、放電空間の全体に均等にコロナ放電を発生させて、凝集効果を高めることができる。

図２において、これら多数の放電体２４は、突起状電極２５がハウジングＨの径方向に突出して、放電部２２を同心状に取り囲む筒状の集塵電極５と、所定のギャップＧで対向している。放電プラグ２の基端側半部（図の上半部）は、ハウジングＨの外部空間に位置し、端子部２６に接続される図示しない高電圧電源から高電圧が印加される。なお、放電部２２の長さＬは、放電空間のガス流れ方向の距離であり、放電体２４の設置間隔Ｓ、突起数Ｎを適宜設定することで、放電空間内に所望の電界を均一形成することができる。

次に、図４により、本発明の特徴の１つである碍子形状について詳述する。図４Ａにおいて、放電プラグ２の絶縁碍子部３は筒状体で、筒穴３１内に棒状の高電圧電極２１が挿通され、端子部２６から放電部２２への導電経路を絶縁保持している。絶縁碍子部３は、例えばアルミナ等のセラミック絶縁材料にて構成される。本発明では、高電圧電極２１と絶縁碍子部３の端縁部との間、または絶縁碍子部３と取付金具４の端縁部との間、またはそれら両方に環状溝部を設ける。具体的には、絶縁碍子部３の先端側（図の下端側）の端縁部と、高電圧電極２１の外表面との間に、第１の環状溝部３２を形成する一方、取付金具４の先端側（図の下端側）の筒状端縁部４１と、絶縁碍子部３の外表面との間に第２の環状溝部４２を形成する。図中、Ａ、Ｂとして示す絶縁碍子部３の軸方向の２か所にて、金属部材との間に溝が形成されることで、付着する粒子状物質を分断しやすくし、電流リークを抑制する効果がある。

さらに、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２の径方向の幅、特に最小幅（最小ギャップ）を最適化することで、付着した粒子状物質を酸化除去する回復制御を容易にすることができる。この最小ギャップにおいて、付着した粒子状物質が対向面に到達しやすく、ブリッジを形成して電流が流れやすくなる。さらにブリッジに電流が集中して沿面放電を誘起しやすく、粒子状物質の酸化が促進される。図１Ｂの左図は、第１環状溝部３２に粒子状物質ＰＭが付着してブリッジＢを形成した状態を示しており、後述する回復制御において高電圧電極２１に所定の電圧を印加することで、粒子状物質を酸化除去し、右図のように絶縁性を回復することができる。

最小ギャップの大きさは、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２の形状によっても異なるが、対象エンジンおよび想定付着粒子の粒子径等に応じて、例えば、１μｍ（０．００１ｍｍ）〜２ｍｍの範囲で設定される。最小ギャップを１μｍ以上とすることで、想定付着粒子、例えば直噴ガソリンエンジンから排出される付着微粒子の平均粒径（通常、約１００ｎｍ）の１０倍（１００ｎｍ×１０＝１μｍ）程度ないしそれ以上となり、また、最小ギャップを２ｍｍ以下とすることで、想定付着子の最大粒径（通常、約２００μｍ）の１０倍（２００μｍ×１０＝２ｍｍ）程度ないしそれ以下となるので、粒子状物質の付着状態に応じた所望の回復頻度となるように、適宜設定するとよい。

図４Ａにおいて、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２は、略一定幅の環状溝形状であってもよく、一般に、排気流れや表面温度等により粒子状物質がある部位に付着するとさらに粒子状物質が集まり、ブリッジが形成されやすくなる。ただし、溝幅（＝最小ギャップ）が小さすぎると、多数のブリッジが形成され、または溝が埋まりやすくなるため、好適には、最小ギャップが比較的大きくなるように、例えば１００μｍ（０．１ｍｍ）以上に設定するとよい。第１環状溝部３２、第２環状溝部４２の深さは、付着した粒子状物質によって容易に溝が埋まらないように、通常、溝幅以上に設定される。また、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２を一定幅とせず、周方向の少なくとも一部に最小ギャップとなる部位を設定してもよい。このような形状の一例を次に示す。

図４Ｂにおいて、放電プラグ２の基本構成は図４Ａと同様であり、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２に、粒子状物質の付着を許容する小隙間部を設けている。図４Ｂ中に拡大して示す（図中Ａ）第１環状溝部３２は、略円形断面の内周面の対向する２箇所に平面部３３を設け、平面部３３と対向する高電圧電極２１の外表面との間に、他の部位より幅狭の小隙間部３４を形成する。このように、第１環状溝部３２により、高電圧電極２１の露出表面を取り囲む環状空間を形成して、絶縁性を確保しつつ、さらに、その一部を小隙間部３４として粒子状物質を誘導付着させることで、絶縁性の回復を容易にすることができる。

図４Ｂ中に拡大して示す（図中Ｂ）第２環状溝部４２は、筒状部４１の内側に、さらに、絶縁碍子部３の外表面と略平行に下方へ突出する筒状凸部４３を一体に設けて、対向する絶縁碍子部３の外表面を、所定高さ・所定幅で取り囲む小隙間部４４を形成する。筒状部４１の高さは、筒状凸部４３の高さより高く設定される。このように、第２環状溝部４２により、絶縁碍子部３の露出表面を取り囲む環状空間を形成して、絶縁性を確保しつつ、さらに、その内方に幅狭の小隙間部４４を形成して粒子状物質を誘導付着させることで、絶縁性の回復を容易にすることができる。

図４Ｂの構成では、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２の幅は、熱膨張係数差や組み付けを考慮した通常のクリアランスより十分大きく、付着した粒子状物質が容易に対向する高電圧電極２１、または絶縁碍子部３の外表面に到達しないように、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲で適宜設定される。これら溝幅を、想定付着粒子の最大粒径（通常、約２００μｍ）の１０倍（２００μｍ×１０＝２ｍｍ）程度ないしそれ以下とすることで、絶縁性の確保に十分なギャップとすることができる。第２環状溝部４２を構成する筒状部４１の取付け位置や形状は、溝幅に応じて適宜変更することができる。第１環状溝部３２、第２環状溝部４２の深さは、付着した粒子状物質によって容易に溝が埋まらないように、通常、溝幅以上に設定される。

小隙間部３４、小隙間部４４は、それぞれ第１環状溝部３２、第２環状溝部４２の最小ギャップとなる部位であり、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２よりも先に付着した粒子状物質が対向面に到達して、ブリッジＢを形成しやすい。このブリッジＢに電流が流れることで、付着した粒子状物質が酸化除去され、さらに沿面放電を誘起して、絶縁碍子部３の表面に付着した粒子状物質が酸化する。本実施形態では、絶縁碍子部３の先端側と取付け側の２箇所に２つの小隙間部３４、小隙間部４４を形成しているので、いずれかにて沿面放電を生起すれば、表面の粒子状物質が分断されて、容易に絶縁性を回復することができる。

小隙間部３４、小隙間部４４の幅は、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２よりも小さければよく、最小ギャップが通常１ｍｍ以下、好適には、１０μｍ（０．０１ｍｍ）〜０．５ｍｍの範囲で適宜設定される。１０μｍ以上とすることで、想定付着粒子、例えば直噴ガソリンエンジンから排出される付着微粒子の平均粒径（通常、約１００ｎｍ）の１００倍（１００ｎｍ×１００＝１０μｍ）程度ないしそれ以上となり、最小ギャップを対象エンジン等に応じて適宜設定することで、粒子状物質の付着状態および回復処理を容易に制御できる。最小ギャップが１０μｍより小さいと、わずかな粒子状物質でブリッジＢが形成され、回復制御の頻度が増すので好ましくない。また、想定付着粒子の最大粒径（通常、約２００μｍ）の５倍（２００μｍ×５＝１ｍｍ）以下、好ましくはその１／２程度ないしそれ以下とすることで、必要以上にギャップが大きくならず、粒子状物質が排出される運転状態において確実に回復制御を実施可能となる。

上記構成の排ガス処理装置の作動を説明する。図１Ａにおいて、高電圧電源Ｐには車内電源Ｐ１が接続され、内蔵する昇圧回路で電源電圧を昇圧して、所望の負の高電圧を放電プラグ２の高電圧電極２１に印加可能となっている。車内電源Ｐ１は、例えばバッテリ（１２Ｖまたは２４Ｖ）、オルタネータ、ハイブリッド（ＨＶ）用電圧ライン（２００Ｖ〜６００Ｖ）であり、通常、−５ｋＶ〜−２０ｋＶ、０．１ｍＡ〜３ｍＡの範囲で電圧印加を行う。また、吸気管ＩＮには、エアフローセンサＳ１が、排気管ＥＸの２つのＮＯｘ触媒８１、８２下流にはそれぞれＯ_２センサ（またはＡ／Ｆセンサ）Ｓ２が設置され、これらセンサからの吸気流量および酸素濃度信号が、制御部であるＥＣＵ６に送られている。ＥＣＵ６には、図示しない各種センサが接続されており、これらセンサからの信号に基づいてエンジンＥへの燃料噴射その他の制御を行って燃焼状態を制御する。

また、ＥＣＵ６は、粒子状物質が排出される運転条件においては、凝集部１の放電プラグ２に通電してＰＭ粒子数を低減する放電制御を実施し、さらに放電プラグ２の回復制御を行う。本発明では、ＰＭ排出時のみ凝集部１を作動させ、かつ所望のＰＭ低減率となるように放電電流量を排ガス条件に応じて制御することで、高効率の排ガス処理を可能にする。この放電制御および回復制御は、本発明の特徴部分であり、図５のフローチャートを参照しながら、次に説明する。図５の放電制御処理が開始されると、ステップ１において、まず、現在のエンジンＥの運転状態が、粒子状物質（ＰＭ）が排出される条件か否か、すなわち、ＰＭ処理のために凝集部１を作動させる必要があるか否かを判断する（判定手段）。

直噴ガソリンエンジンは、通常、理論空燃比（ストイキオメトリック）の混合気となるように制御（ストイキ制御）して均質燃焼させ、ＮＯｘの発生と粒子状物質の排出を抑制しているが、低温始動時や回転数、トルクが変動する過渡運転時等、運転条件によっては粒子状物質の排出が避けられない。このため、予め実機試験等を行って、エンジンＥの燃焼状態とＰＭ排出量の関係を把握し、所定量以上の粒子状物質が排出されるエンジンＥの運転条件を、予めステップ１の肯定条件として設定する。ＥＣＵ６には、例えば、エンジン回転数、トルク、燃料噴射量（Ｑfin ）、エンジン冷却水温、エンジンオイル温度、アクセル開度等を軸とするマップを記憶させておく。ＥＣＵ６は、各種センサ信号とマップ値からＰＭ排出条件と一致しているか否かを判定することができる。

ステップ１が肯定判定されると、ステップ２に進んで、排出される粒子状物質を低減させるべく凝集部１へ電圧印加指令を出力し、続くステップ３において、所望のＰＭ個数低減性能を得るために、高電圧電源Ｐからの放電プラグ２への印加電圧を決定する（印加電圧決定手段）。ステップ３では、エアフローセンサＳ１、Ｏ_２センサＳ２、図示しない排気温度センサ等の検出結果から知られるエンジン排ガス流量、排ガス温度、酸素濃度を用いて、排出されるＰＭ量に対して、目的とするＰＭ低減率を実現するために必要な印加電圧を算出する。そして、ステップ４に進み、高電圧電源Ｐから放電プラグ２への電圧印加を実施する。ステップ１が否定判定されると、ステップ１０へ進み、放電プラグ２への電圧印加を実施せずに、本処理を一旦終了する。

ここで、ステップ３における印加電圧の算出方法の詳細を説明するため、図６Ａ、Ｂに、凝集部１のＰＭ個数低減性能と放電条件および排ガス条件との関係を示す。図示するように、粒子状物質の帯電凝集によるＰＭ個数低減性能は、コロナ放電による放電電流量（ｍＡ）と相関があり、一般に、放電電流量の増加に伴ってＰＭ低減率が増大し、徐々にＰＭ低減率の増加割合は小さくなる。また、ＰＭ個数低減性能はエンジン排ガス流量（ｇ／ｓ）と反比例の関係にあり、排ガス流量が増加すると放電電流量に対するＰＭ低減率が低下する。これは、凝集部１内の排ガスの増加が、粒子状物質の帯電や集塵電極５への移動を妨げる方向に作用するためと考えられる。

そこで、予めステップ１のエンジン条件毎に、排出される粒子状物質に対するＰＭ低減率と放電電流量の関係をマップ化し、目標とするＰＭ低減率（例えば５０〜９０％）に対応する放電電流量を、排ガス流量等を考慮して決定する。さらに、印加電圧と放電電流量の関係に基づいて、所望の放電電流量となるように、放電プラグ２への印加電圧値を決定すればよい。ここで、放電電流量は、印加電圧の増加とともに増大し、さらに、酸素濃度および排ガス温度と相関がある。一般に、放電電流量は排ガス温度と比例関係にあり、排ガス温度が高いほど放電電流は増加するが、酸素濃度については、逆に低濃度ほど放電電流量が多くなる傾向があり、特に０％（理論空燃比）付近で急増する。ここで、酸素濃度０％とは、理論空燃比での燃焼により排ガス中の酸素濃度が０％となっている状態であり、酸素濃度０％以下の領域は、理論空燃比より酸素濃度が低い状態での燃焼であることを示す。

図６Ｃは、試験用の模擬ガスを用いて凝集部１に所定の排ガス流量で導入し、酸素濃度を０％〜２０％まで変化させて測定した電圧−電流特性と、放電プラグ２の放電体２４先端の発光の様子を示したものである。図示されるように、酸素濃度低下に伴い、印加電圧（−１５ｋＶ）に対して流れる電流値が増加し、発光が促進される。これは、電子親和力の高い酸素分子が減少することで、放電プラグ２の周囲の負イオンが減少するためであり、放電部位である放電体２４先端の電界が対空間で増加する結果、放電が促進されて電流が増加する。このため、酸素濃度１％以下、特に０％近傍で、図６Ｂのように放電電流が急増することになる。したがって、所望のＰＭ個数低減性能となるように、排ガス流量、酸素濃度、排気温度に応じて必要な放電電流量を決定し、さらに印加電圧を決定するために、放電特性に基づく定常電流の電流値マップを持ち、測定結果を基に図６の関係から印加電圧を決定すればよい。

そしてステップ４では、図１Ａにおいて、放電プラグ２の端子部２６に、高電圧電源Ｐから負の直流高電圧が印加され、放電部２２の放電体２４近傍においてコロナ放電が発生し、電子が放射される。一方、図２の入口部１２から、凝集部１内に排ガスが流入しており、排ガス中の粒子状物質は、放電空間に存在する電子またはイオンによって負に帯電する。帯電した粒子状物質は、クーロン力によって外周側へ移動し、集塵電極５に静電捕集される。粒子状物質は、ここで電子を放出し、凝集粒子となる。したがって、ステップ３で設定した電圧印加を持続することにより、微小な粒子状物質を粗大化して捕集し、目標とする低減性能で粒子状物質の個数を低減することができる。

この時、電圧印加時の放電電流および放電電圧信号は、ＥＣＵ６に送られ、ＥＣＵ６はこれら信号に基づいて、ＰＭ排出条件における凝集部１の放電状態が正常か否かを判断する。具体的には、ステップ５において、印加電圧に対して、予め設定した正常時の所定の電流域から外れているか否かを判断する。ここで、正常時の所定の電流域とは、ステップ３で設定した印加電圧に対応する放電電流値（定常電流値）の近傍で、正常と判断される所定域であり、目標とするＰＭ低減性能を得るために許容される電流域として、予め設定しておく。ステップ５が肯定判定された場合には、さらに、絶縁碍子部３の付着ＰＭを除去する回復制御が必要な状態か否かを判別するために、ステップ６に進む。ステップ５が否定判定された場合には、正常状態と判断して、本処理を一旦終了する。

このように、ＰＭ排出時にのみ凝集部１を作動させ、エンジン条件毎に異なるＰＭ排出量に対して、放電特性マップを基に放電状態を制御することで、所望のＰＭ低減率が実現される。なお、直噴ガソリンエンジンでは、ストイキ制御の場合、排ガス中の酸素濃度は極めて低いが、上述したように、酸素濃度０％近傍で放電電流が急変することから、酸素濃度が比較的多くなる運転条件において、印加電圧の設定に際し酸素濃度を考慮することは重要である。また、放電電流は凝集部１に流入する排ガス中の水蒸気量と比例関係にあり、水蒸気量を検出して、放電制御に反映させてもよい。

さらに、ステップ５において、印加電圧に対応する放電電流（定常電流）と実際に測定された放電電流（実測電流）の差異から、電流上昇（絶縁碍子部３電流リーク）を判別することができる。放電電流値が所定電流域から外れる要因としては、１）粒子状物質の付着による電流リーク（漏電）の他に、冷間始動時のように排気管内の水分が凝縮しやすい環境で、２）絶縁碍子部３に被水による電流リーク（漏電）が生じたか、あるいは、装置のその他の部位の故障や破損により、３）電圧印加異常または電流漏電異常といった状態が生じた可能性がある。そこで、ステップ６では、実測電流値の変化率、具体的には単位時間当たりの測定電流の増加量（ΔＩ/ΔＴ）、電圧低下幅、エンジン状態に基づいて、これら１）〜３）のどの状態にあるかを判別し、その結果により、それぞれ適切な処理を行なう。３）は、車載装置の故障診断（ＯＢＤ）としての検出処理である。

ステップ６の詳細を図７に示す。ステップ６１では、まず、実測電流値がステップ５の所定電流域より高いか否かを判断する。１）のＰＭ付着を含む漏電が原因の場合には、電流値が上昇するので、ステップ６２へ進む。ステップ６１が否定判定された場合、すなわち、電流値が低下する方向に外れるのは、装置自体に何らかの異常が生じて、所定の電圧が印加できない場合であり、ステップ６４にて、３ａ）電圧印加異常と判定する。この原因としては、例えば、電源故障、電圧ライン故障、装置破損等が挙げられる。ステップ６２では、さらに、単位時間当たりの放電電流の増加量と電圧低下幅を、予め設定した所定値と比較する。この所定値は、１）ＰＭ付着による漏電を、他の要因による漏電と区別するための閾値であり、これについて、次に説明する。

図８は、絶縁碍子部３へのＰＭ堆積によるリーク挙動（左図）を、被水によるリーク挙動（右図）と比較して示したものである。ＰＭ堆積時には、時間とともに放電電流が緩やかに上昇し（例えば、０．０１５ｍＡ/秒）、ある時点で高圧電極２１または取付部４側との導通が生じて、リーク電流が検出される。また、リーク発生までは電圧低下が起こりにくく、電圧低下幅が比較的小さい（ゼロにならない）。これに対して、被水時には、エンジン始動とともに電流値が急上昇し（例えば、２ｍＡ/秒）、リーク発生とほぼ同時に電圧がゼロになる。したがって、図８に基づいて、１）ＰＭ付着による漏電と２）被水による漏電を判別可能な閾値を、電流増加量、電圧低下幅についてそれぞれ設定し、ステップ６２の所定値とすればよい。

そして、ステップ６２が肯定判定されたら、ステップ６３へ進み、１）ＰＭ付着による漏電と判定することができる。ステップ６２が否定判定されたら、ステップ６５へ進み、被水が生じる運転条件、例えば、冷間始動直後か否かを判断する。ステップ６５が肯定判定されたら、ステップ６６へ進み、２）被水による漏電と判定することができる。ステップ６５が否定判定されたら、ステップ６７へ進み、それ以外の何らかの異常による、３ｂ）電流漏電異常と判定する。この原因としては、例えば、電極破損、碍子破損、電圧ライン破損等が挙げられる。これらＯＢＤ異常判定がなされた場合は、例えば、警告ランプ等を点灯させて速やかに運転者に知らせる。

ステップ６３で、１）ＰＭ付着による漏電と判定された場合は、図５のステップ７へ進み、回復制御開始指令を出力する。その後、ステップ８へ進んで、排ガス中の酸素濃度が所定濃度以上か否かを判断する。これは、絶縁碍子部３の付着ＰＭを酸化除去するために放電空間内に酸素が供給される必要があるからで、一方、直噴ガソリンエンジンでは、特にストイキ制御の場合、排ガス中に酸素がほとんど存在しない。そこで、排気管ＥＸに設置したＯ_２センサＳ２の検出結果から、凝集部１に供給される排ガスが、予め設定した所定の酸素濃度（例えば、１％）以上である時のみ、次のステップ９へ進み、ＰＭ酸化処理手段としての付着ＰＭの酸化処理を実施する。

ステップ８が否定判定された場合には、ステップ８１に進む。ステップ８１は、酸素濃度制御手段としての処理で、排ガスが所定の酸素濃度以上となる条件まで待機する、または、所定の酸素濃度以上に上昇させる処理を行った後、ステップ８へ戻る。具体的には、所定の酸素濃度となる条件として、エンジン負荷変化や減速に伴う燃料カット時が挙げられ、エンジンＥへの燃料供給が停止され酸素が使用されないためほぼ大気中の酸素濃度（約２１％）となる。あるいは、アイドルストップ、エンジン停止信号直後のタイミングで、吸気量を増加させ、空燃比（Ａ/Ｆ）を上昇させた燃焼を行なうか、排気管ＥＸに大気を導入することで、強制的に排ガス中の酸素濃度を上昇させることもできる。

その後、ステップ８が肯定判定されたら、ステップ９へ進み、印加電圧を上昇させて沿面放電による付着ＰＭの酸化処理に適した所定の電流値範囲に制御する。図９Ａは、燃料カット時、図９Ｂは、エンジン停止時の制御例である。図９Ａのタイムチャートに示すように、付着ＰＭにより検出される電流値が徐々に上昇していき、ある時点Ｔ１において、印加電圧（ここでは、１０ｋＶ）に対して、予め設定した正常時の所定の電流域より高くなる。すなわち、図５のステップ５、図７のステップ６１が肯定判定され、ステップ６２で電流増加量、電圧低下幅から、ＰＭ付着による漏電であり回復制御が必要と判断される。ただし、排ガス中の酸素濃度がほぼ０％と低く、このままでは酸素不足であるために、ステップ８が否定判定され、ステップ８１で燃料カットのタイミング（時点Ｔ２）まで待機する。さらに、ステップ９の処理として、燃料カットにより排気管ＥＸに供給される酸素濃度が上昇するタイミングに合わせて、印加電圧を上昇させ、第１環状溝部３２、第２環状溝部４２のＰＭ付着部位に電流を集中させることにより、絶縁碍子部３の表面に沿面放電を生起する。

これにより、付着ＰＭが酸化燃焼し、リーク電流が減少することにより、図９Ａの時点Ｔ２以降、電流値が急減に低下する。次に燃料カットが停止したら、印加電圧を通常電圧に低下させ、通常動作に戻る。これを、電流値が所定の閾値（例えば、１ｍＡ）を下回るまで行う。ここでは、燃料カット停止時（時点Ｔ３）に電流値が閾値以下となっているので、回復制御を一旦終了する。その後、電流値が再び上昇したら（時点Ｔ４）、同様の処理を行なって、絶縁性を回復させる（時点Ｔ５）。この時点５において、エンジンＥがＰＭ排出条件でない場合には、電圧印加を停止し、放電制御を終了する（時点Ｔ５〜Ｔ６）。

図１０Ａは、実車による過渡運転データの一例である。この場合、一定期間内に車速変化に応じて、比較的頻繁に燃料カット要求がなされており（図中、fuelカット信号）、燃料カットの総時間は、１２００秒中、５３秒で十分長い。また、個々の燃料カットの時間は、例えば１．５秒〜１２秒である。したがって、燃料カットのタイミングで、繰り返し回復制御を実施することで、効率よく確実に絶縁性の回復制御が可能である。

図９Ｂのエンジン停止時には、ステップ８が否定判定された後、ステップ８１で排ガス中の酸素不足を解消する手段が異なる。例えば、エンジン停止信号が出力されたら（時点Ｔ１）、例えば、吸気管ＩＮのスロットル開度を大きくして吸気量を増大させることで、排気管ＥＸ内の酸素濃度を上昇させた後（時点Ｔ２）、エンジンＥを停止する。ステップ９としてエンジンＥ停止後、所定の高電圧を印加し（時点Ｔ３）、所定時間保持することで、同様に付着ＰＭが酸化し、リーク電流が減少する。さらに、所定の閾値以下の電流となったら電圧印加を停止する（時点Ｔ４）。

図１０Ｂは、ガス（大気）流入時と停止時の放電特性（大気圧、常温）を調べた結果である。放電特性はガス流量と相関があり、エンジン停止時には、排気管ＥＸに酸素を導入した後、ガス流が停止するため、これを考慮して回復制御の電流値を制御することが望ましい。図示するように、所定以上の電圧印加で放電が生じ、印加電圧に応じて放電電流量が上昇するが、ガス停止時には放電電流量がより多くなる傾向がある。したがって、回復制御をエンジン停止、アイドルストップ等のガス流れがない状態で実施する場合には、図１０Ｂに基づいて、沿面放電の電流値が上記範囲に制限されるように、印加電圧を設定するとよい。

図１１は、回復制御時の放電状態を制御するために試験を行い、印加電圧を段階的に上昇させていき、検出される放電電流と放電状態を観察した結果である。図示するように、印加電圧を上昇させると、まず放電プラグ２の絶縁碍子３側部空間で火花放電が発生する。この放電は、絶縁碍子部３の先端側と取付金具４に近い根元側の間で生じる火花に近い放電で、比較的高い放電電流が流れる（電流条件（１）：約１５ｍＡ）。次いで、絶縁碍子部３側部空間と、絶縁碍子部３表面での放電が観察されるようになり（電流条件（２）：約１１ｍＡ）、さらに電圧が上昇すると、絶縁碍子部３表面のみ沿面放電となる（電流条件（３）：約４．７ｍＡ）。

この沿面放電が発生する電流条件（３）において、絶縁碍子部３表面に付着している粒子状物質が、良好に酸化燃焼することが確認された。これは、火花放電または火花放電に近い放電では空間放電となって、絶縁碍子部３表面に付着する粒子状物質の酸化燃焼が促進されないためである。したがって、回復制御時には、凝集部１の放電空間における電気集塵時の定常電流よりも電流値を大きくし、好適には、定常電流値＋１ｍＡ以上とすることで、付着ＰＭを酸化除去する効果が得られる。また、付着ＰＭを効果的に除去するには、空間放電に至らない電流値、好適には、絶縁碍子部３表面の沿面放電となる１０ｍＡ以下、より好ましくは６ｍＡ以下に電流値を制限するとよい。このように回復制御時の電流値が沿面放電の範囲となるように、印加電圧を設定することで放電経路を制御することができる。そして、沿面放電を効果的に発生させて付着ＰＭを燃焼除去し、絶縁性を回復できる。

図１２は、本発明の効果を確認するために、上述した回復制御を実施した結果であり、予めＰＭ排出条件の排ガスに晒して、絶縁碍子３表面全体に粒子状物質を付着させた放電プラグ２を用いている。この放電プラグ２に、図示するように、電圧の上昇とともに放電電流値が上昇し、ピーク値前後において沿面放電による発光が確認された（放電試験１回目）。その後、再び同様の試験を行なったところ（放電試験２回目）、電流値の大きな上昇が見られず、新品の絶縁碍子を取り付けた比較用プラグ（新品碍子）と同等の電圧電流特性となった。また、放電試験後の放電プラグ２を目視観察したところ、絶縁碍子３の先端側と根元側において粒子状物質が燃焼除去されて表面が露出し、付着ＰＭの分断が確認された。

以上のように、本発明によれば、絶縁碍子部の内外２箇所に第１の環状溝部、第２の環状溝部を形成した構成として、絶縁性を保持しつつ、ＰＭ付着により絶縁性が低下した場合には、所定の酸素濃度に制御して高電圧を印加し回復制御を実施することで、速やかに絶縁性を回復することができる。さらに第１の環状溝部、第２の環状溝部は、それぞれ最小ギャップを適切に設定し、あるいは小隙間部を形成することで、特定部位への粒子状物質の付着を促して、付着した粒子状物質を沿面放電により効率よく除去できる。よって、簡易な構成で、制御性よく絶縁性を回復することができ、凝集部による電気集塵効果を最大限に発揮して、粒子数の低減に高い能力を発生する。

上記図４Ｂに示した実施形態では、絶縁碍子部３と高電圧電極２１の間に形成される第１の環状溝部３２に、平面部３３を設けて小隙間部３４を形成したが、絶縁碍子部３の内周面の形状または対向する高電圧電極２１の外周面の形状を、楕円、三角、四角または多角形等としても、小隙間部３４を容易に形成することができる。または、絶縁碍子部３の内周面と高電圧電極２１の外周面を偏芯配置することもできる。また、絶縁碍子部３と取付金具４の間に形成される第２の環状溝部４２、小隙間部４４についても、同様の形状を適用することができる。

本発明の排ガス処理装置は、直噴方式のガソリンエンジンに好適であるが、これに限らず、ディーゼルエンジンその他の内燃機関にももちろん利用することができ、排出される粒子状物質の低減に有効利用されて、その性能を長期に渡って維持することができる。また、凝集部は図示した構成に限らず、例えば放電プラグの放電部形状が異なっていてもよく、同様の効果が期待できる。さらに、排気管路または排気管路に配置されるＮＯｘ触媒その他の構成や配置も任意に変更することができる。

Ｈハウジング
Ｐ高電圧電源
１凝集部
２放電プラグ
２１高電圧電極
３絶縁碍子部
３２第１の環状溝部
３４小隙間部
４取付金具
４２第２の環状溝部
４３小隙間部
５集塵電極
６ＥＣＵ(放電制御部）

Claims

内燃機関の排気管路に接続される筒状ハウジングと該筒状ハウジングに取り付けられる放電プラグを有し、上記筒状ハウジング内の放電空間にコロナ放電を生起して排ガス中の粒子状物質を帯電凝集させる凝集部と、高電圧電源から上記放電プラグへの通電を制御する放電制御部を備えており、
上記放電プラグは、上記放電空間に先端側が露出する高電圧電極と、該高電圧電極の基端側外周を保持する絶縁碍子部と、該絶縁碍子部の中間部外周を保持し、接地電極となる上記筒状ハウジングに固定される取付金具とからなり、かつ、上記放電空間において、上記高電圧電極と上記絶縁碍子部の端縁部との間または上記絶縁碍子部と上記取付金具の端縁部との間またはその両方を隔てる環状溝部を有しており、
上記放電制御部は、上記放電プラグの上記絶縁碍子部への粒子状物質の付着による電流上昇を検出するＰＭ付着検出手段と、この粒子状物質の付着が検出された時に上記放電空間における排ガス中の酸素濃度が所定濃度となるタイミングを判断し、または酸素濃度を所定濃度に調整する酸素濃度制御手段と、所定の酸素濃度条件において高電圧を印加して粒子状物質の付着部位に沿面放電を生起するＰＭ酸化処理手段と、粒子状物質が排出される運転条件であるか否かに基づいて上記凝集部の作動を判断する判定手段と、粒子状物質が排出される運転条件である時に、酸素濃度に基づいて排ガス状態に応じた放電電流量でコロナ放電を生起するための印加電圧を決定する印加電圧決定手段とを備え、該印加電圧決定手段は、酸素濃度が理論空燃比における酸素濃度よりも高い時に、印加電圧を、理論空燃比における印加電圧よりも増加させることを特徴とする内燃機関の排ガス処理装置。
上記放電プラグは、上記高電圧電極の外表面と上記絶縁碍子部の端縁部内周面との間に第１の環状溝部を、上記絶縁碍子部の外表面と上記取付金具の端縁部内周面との間に第２の環状溝部を有している請求項１記載の内燃機関の排ガス処理装置。
上記酸素濃度制御手段は、上記放電空間の酸素濃度が所定濃度以上か否かを判断し、否定判定された時には内燃機関の燃料カット運転条件まで待機する制御を行なう請求項１または２記載の内燃機関の排ガス処理装置。
上記酸素濃度制御手段は、上記放電空間の酸素濃度が所定濃度以上か否かを判断し、否定判定された時には上記排気管から上記放電空間に供給される酸素濃度を上昇させる制御を行なう請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内燃機関の排ガス処理装置。
上記酸素濃度制御手段は、上記放電空間に供給される酸素濃度を上昇させる制御を、エンジン停止指令時またはアイドルストップ時に実施する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関の排ガス処理装置。
上記印加電圧決定手段は、粒子状物質が排出される運転条件である時に、排ガス流量及び排ガス温度と、酸素濃度とに基づいて印加電圧を決定する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関の排ガス処理装置。
上記ＰＭ付着検出手段が、印加電圧に対応する定常電流値と実測電流値の差異および変化率から粒子状物質の付着による電流上昇を検出し、上記ＰＭ酸化処理手段が、沿面放電の電流値を粒子状物質の帯電凝集を目的としたコロナ放電定常電流値より大きく空間放電に至らない範囲に制限する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の内燃機関の排ガス処理装置。
上記放電制御部が、印加電圧に対応する定常電流値と実測電流値の差異および変化率から上記放電プラグの上記絶縁碍子部の被水による電流上昇を検出する被水検出手段を有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の内燃機関の排ガス処理装置。