JP6051371B2 - プラズマ生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気ガスを浄化する浄化触媒の上流でプラズマを生成するプラズマ生成装置に関するものである。

従来から、エンジンの排気ガスを浄化する浄化触媒の上流でプラズマを生成するプラズマ生成装置が知られている。特開２００９−２７５５５５号公報には、この種のプラズマ生成装置として、触媒が担持された絶縁体ハニカムの上流でプラズマを生成するプラズマ処理装置が記載されている。

具体的に、特開２００９−２７５５５５号公報のプラズマ処理装置は、絶縁体ハニカムの上流の導電体ハニカムと、この導電体ハニカムと一対の電極を形成する放電電極とを備えている。そして、導電体ハニカムと放電電極との間にパルス電圧を印加して、プラズマを発生させる。このプラズマ処理装置では、被浄化ガスを浄化するためのハニカム構造体の一部が導電体ハニカムとされている。そのため、省電力、短時間のパルスにて導電体ハニカムを昇温することができ、その熱を利用して絶縁体ハニカムの触媒を活性化して被浄化ガスの浄化を促進することができる。

特開２００９−２７５５５５号公報

ところで、浄化触媒にプラズマを接触させると、プラズマにより浄化触媒を加熱できるだけでなく、プラズマ領域で生成された活性種により浄化触媒の活性温度を低下させることが可能である。つまり、浄化触媒にプラズマを接触させることが、浄化触媒を早期に活性化させるのに有効である。

しかし、従来のプラズマ生成装置では、浄化触媒の上流のプラズマが排気ガスにより浄化触媒側へ流れるものの、プラズマの圧力により、排気ガスの流れ方向以外にもプラズマが拡散してしまう。そのため、浄化触媒に効果的にプラズマを接触させることができない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの排気ガスを浄化する浄化触媒の上流でプラズマを生成するプラズマ生成装置において、浄化触媒に効果的にプラズマを接触させて、浄化触媒の活性化に要する時間を短縮させることにある。

第１の発明は、エンジンから排出された排気ガスを浄化するための浄化触媒が設けられた排気通路における前記浄化触媒の上流でプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、前記排気通路における前記浄化触媒の上流に配置され、排気ガスが通過する内部通路が形成された通路形成部材と、前記内部通路においてプラズマを生成するプラズマ生成部とを備え、前記内部通路を流れる排気ガスにより前記プラズマ生成部が生成したプラズマが前記内部通路の出口から吹き出して前記浄化触媒に到達するように、前記通路形成部材の前記内部通路の出口部分が前記浄化触媒に近接又は当接している。

第１の発明では、排気ガスが、通路形成部材に形成された内部通路を通過する。また、この内部通路において、プラズマ生成部がプラズマを生成する。内部通路は、排気通路に収容された通路形成部材内に形成されており、排気通路の浄化触媒上流よりも狭い。さらに、通路形成部材の内部通路の出口部分が浄化触媒に近接又は当接している。そのため、プラズマ生成部が生成したプラズマが内部通路の出口から吹き出して浄化触媒に到達する。

第２の発明は、第１の発明において、前記通路形成部材が、前記排気通路における前記浄化触媒の上流に、前記排気通路の通路断面に沿って複数個並設され、前記プラズマ生成部は、前記各通路形成部材の内部通路においてプラズマを生成する。

第２の発明では、排気通路の通路断面に沿って通路形成部材が複数個並設されているので、浄化触媒の上流側においてプラズマが吹き付けられる面積が大きくなる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記プラズマ生成部が、前記内部通路において放電を生じさせる共に、放電に伴って生成された放電プラズマに高周波のエネルギーを供給して前記放電プラズマを拡大させる。

第３の発明では、プラズマ生成部において生成された放電プラズマに高周波のエネルギーを供給して放電プラズマを拡大させるので、排気ガスの流れがある環境下で安定的にプラズマが生成される。

第４の発明は、第１から第３の何れか１つの発明において、前記プラズマ生成部が、前記高周波のエネルギーを供給している期間に放電を繰り返し行う。

第４の発明では、高周波のエネルギーを供給している期間、つまり、プラズマを高周波により維持しようとする期間に、放電器による放電が繰り返し行われる。プラズマ生成のトリガーとなる自由電子は、繰り返し放出される。

第５の発明は、第１から第４の何れか１つの発明において、前記プラズマ生成部が、前記内部通路における前記浄化触媒寄りの位置でプラズマを生成する。

第５の発明では、プラズマ生成部が、内部通路における浄化触媒寄りの位置でプラズマを生成するので、プラズマのエネルギーが効果的に浄化触媒に伝わる。

第６の発明は、第１から第５の何れか１つの発明において、前記プラズマ生成部は、前記内部通路に電磁波を放射してプラズマを生成する一方、前記通路形成部材として、前記プラズマ生成部がプラズマを生成する領域が内部に形成された絶縁体の内側筒状部材と、該内側筒状部材を収容する導電体の外側筒状部材とを備えている。

第６の発明では、通路形成部材として、絶縁体の内側筒状部材と導電体の外側筒状部材とが用いられる。外側筒状部材は、プラズマを生成させる電磁波が通路形成部材から外に漏洩することが防止する。また、内側筒状部材は、プラズマが生成される通路断面を狭めて、プラズマのエネルギーを閉じ込める。

第７の発明は、第１から第６の何れか１つの発明において、前記プラズマ生成部は、前記内部通路に電磁波を放射してプラズマを生成する一方、前記通路形成部材の前記内部通路には、前記プラズマ生成部が放射する電磁波を、プラズマが生成される領域に閉じ込めるための導電性の網状部材が設けられている。

第７の発明では、導電性の網状部材が、通路形成部材の内部通路に設けられているので、電磁波のエネルギーが内部通路に閉じ込められる。

本発明では、排気通路よりも狭い内部通路でプラズマを生成することで、排気ガスの流れ方向以外へのプラズマの拡散を抑制して、内部通路の出口から浄化触媒側へプラズマが吹き出されるようにしている。このため、浄化触媒に効果的にプラズマを接触させることができ、浄化触媒の活性化に要する時間を短縮することができる。

第４の発明では、高周波のエネルギーを供給している期間に、プラズマ生成のトリガーとなる自由電子が繰り返し放出されるので、プラズマが排気ガスにより吹き消されるようなことがあっても、再びプラズマが生成される。

第５の発明では、内部通路における浄化触媒寄りの位置でプラズマが生成されるので、浄化触媒におけるプラズマの侵入長が長くなり、浄化触媒においてプラズマに接触する触媒金属が多くなる。従って、浄化触媒の活性化に要する時間をさらに短縮することができる。

第６の発明では、電磁波を封じ込める外側筒状部材の内側に、絶縁体の内側筒状部材を設けることで、プラズマが生成される通路断面を狭めて、プラズマのエネルギーを閉じ込めるようにしている。従って、内部通路で生成されたプラズマが拡散しにくいので、そのプラズマを浄化触媒側へ効果的に吹き出させることができる。

第７の発明では、導電性の網状部材が、通路形成部材の内部通路に設けられているので、電磁波のエネルギーが内部通路に閉じ込められる。そのため、高密度のプラズマを生成することができる。

実施形態に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。 実施形態に係るプラズマ生成装置のブロック図である。 実施形態に係るプラズマ生成装置の通路形成部材を排気通路における排気ガスの流通方向から見た図である。 実施形態に係るプラズマ生成装置の通路形成部材の側面図である。 実施形態の変形例１に係るプラズマ生成装置におけるマイクロ波放射期間と放電タイミングとの関係を表すタイムチャートである。 実施形態の変形例３に係るプラズマ生成装置の通路形成部材の側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態は、エンジン（図示省略）から排出された排気ガスを浄化するための浄化触媒３１（三元触媒）が設けられた排気通路３０において、浄化触媒３１の上流でプラズマを生成するプラズマ生成装置２０である。このプラズマ生成装置２０は、図１に示すように、排気通路３０の一部を構成する収容部材３２に、浄化触媒３１と共に設けられている。

プラズマ生成装置２０は、図２に示すように、プラズマ生成部２９と通路形成部材４１とを備えている。通路形成部材４１は、内側筒状部材５１と、該内側筒状部材５１を収容する外側筒状部材５２とを備えている。通路形成部材４１では、内側筒状部材５１と外側筒状部材５２とに亘って、排気ガスが通過する内部通路４０が形成されている。

プラズマ生成装置２０は、図３及び図４に示すように、例えば４組の内側筒状部材５１及び外側筒状部材５２を備えている。４組の内側筒状部材５１及び外側筒状部材５２は、排気通路３０において浄化触媒３１の直上流において、排気通路３０の断面に沿って並設されている。

内側筒状部材５１は、例えば、セラミック、ガラスなどの絶縁材料からなる円筒形状の部材である。本実施形態では、内側筒状部材５１内の内部通路４０において、プラズマ生成部２９がマイクロ波を放射してマイクロ波プラズマを生成する。内側筒状部材５１の形状は、角筒形など他の形状を採用してもよい。

外側筒状部材５２は、導電性の金属材料で構成されている。外側筒状部材５２は、全体として円筒状に形成されており、軸方向から見た形状（図４において横方向から見た形状）が円形である。外側筒状部材５２の形状は、角筒形など他の形状を採用してもよい。

外側筒状部材５２は、同様に導電性の金属材料からなる後述する網状部材４５と協働して、後述するプラズマ生成部２９が放射するマイクロ波を、内部通路４０のマイクロ波プラズマが生成される領域に閉じ込める。

本実施形態では、排気通路３０の壁面に端部が固定された２枚の円板状の固定部材３５に、４基の通路形成部材４１がそれぞれ取り付けられている。各通路形成部材４１は、その入口４２が排気ガスの上流側を向きその出口４３が下流側を向く姿勢で、固定部材３５に取り付けられている。通路形成部材４１は、外側筒状部材５２が固定部材３５に固定され、内側筒状部材５１がスペーサー４６を介して外側筒状部材５２に固定されている。

また、通路形成部材４１は、内部通路４０の出口部分が浄化触媒３１に近接している。そのため、プラズマ生成部２９が生成したマイクロ波プラズマが、排気ガスの流れにより内部通路４０の出口４３から吹き出して浄化触媒３１に到達するようになっている。なお、通路形成部材４１における内部通路４０の出口部分が浄化触媒３１に当接していてもよい。

また、内部通路４０には、網状部材４５が設けられている。網状部材４５は、上述のように導電性の金属材料からなる網状の部材である。網状部材４５は、内部通路４０の入口４２側と出口４３側とにそれぞれ設けられている。網状部材４５は合計２枚設けられている。各網状部材４５は、内部通路４０の通路断面に沿うように設けられ、外側筒状部材５２の内周面に固定されている。２枚の網状部材４５は、後述するアンテナ２７と放電器２８を挟むように設けられている。

網状部材４５は、排気ガスとプラズマは内部通路４０を通過させつつ、プラズマ生成部２９が放射するマイクロ波を、通路形成部材４１と協働して内部通路４０のプラズマが生成される領域に閉じ込める。

プラズマ生成部２９は、エンジンの始動時に内部通路４０においてプラズマを生成するための装置である。プラズマ生成部２９は、図２に示すように、電磁波発生装置２１と、分配器２２（分波器）と、複数の高電圧発生器２３と、複数のアンテナ２７と、複数の放電器２８とを備えている。高電圧発生器２３とアンテナ２７と放電器２８は、通路形成部材４１毎に設けられている。分配器２２は、電磁波発生装置２１から出力されたマイクロ波を、全ての通路形成部材４１のアンテナ２７に分配する。各通路形成部材４１では、高電圧発生器２３からの高電圧パルスを受けた放電器２８で生成される放電プラズマに、電磁波発生装置２１からのマイクロ波をアンテナ２７から照射することにより、マイクロ波プラズマが生成される。なお、図２では、２つの通路形成部材４１に対する高電圧発生器２３、アンテナ２７、放電器２８だけを記載し、残りは省略している。

具体的に、電磁波発生装置２１は、半導体発振器（図示省略）によりマイクロ波を生成するものである。電磁波発生装置２１は、制御装置２６から電磁波駆動信号を受けると、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波駆動信号はパルス信号であり、電磁波発生装置２１は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。なお、電磁波発生装置２１は、半導体発振器の代わりに、マグネトロン等の他の発振器を使用してもよい。

分配器２２は、１つの入力端子と、アンテナ２７毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置２１に接続されている。各出力端子は、対応するアンテナ２７に接続されている。

各高電圧発生器２３は、例えば点火コイルである。各高電圧発生器２３は、対応する放電器２８に接続されている。各高電圧発生器２３は、制御装置２６から放電信号を受けると、高電圧パルスを出力する。

アンテナ２７は、棒状に形成されている。アンテナ２７は、マイクロ波の放射位置（輻射位置）が内側筒状部材５１の内部に臨むように、内側筒状部材５１の下部に取り付けられている。

放電器２８は、例えば点火プラグである。放電器２８は、中心電極と接地電極との間の放電ギャップが内側筒状部材５１の内部に臨むように、内側筒状部材５１の上部に取り付けられている。
−プラズマ生成装置の動作−

プラズマ生成装置２０の動作について説明する。プラズマ生成装置２０は、エンジンを制御する電子制御装置（いわゆるＥＣＵ）から制御装置２６が開始指令を受けると、排気通路３０においてマイクロ波プラズマを生成するプラズマ生成動作を行う。なお、電子制御装置は、エンジンの始動時に開始指令を出力する。

なお、エンジンは、エンジンだけを駆動源とする自動車に搭載されるものであってもよいし、エンジンとモータを駆動源とするハイブリッド自動車に搭載されるものであってもよい。ハイブリッド自動車は、例えば低負荷から高負荷へ変化する際に、モータからエンジンへの駆動源の切り替えによりエンジンが始動される。

制御装置２６は、開始指令を受けると、電磁波駆動信号及び放電信号を出力する。電磁波駆動信号は、電磁波発生装置２１に出力される。放電信号は、全ての高電圧発生器２３に出力される。

電磁波発生装置２１は、電磁波駆動信号を受けると、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力し始める。分配器２２は、電磁波発生装置２１から入力されたマイクロ波パルスを、全てのアンテナ２７に分配する。一方、各高電圧発生器２３は、対応する放電器２８に高電圧パルスを出力する。

各通路形成部材４１では、アンテナ２７にマイクロ波パルスが供給され、放電器２８に高電圧パルスが供給される。そして、アンテナ２７からマイクロ波の放射が開始されるのと同時に、放電器２８の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。そうすると、スパーク放電に伴って、排気ガス成分の分子から自由電子が放出され、その自由電子がマイクロ波のエネルギーを受けて加速される。自由電子は、周囲のガス分子に衝突し、そのガス分子を電離させる。電離により放出された自由電子も、マイクロ波のエネルギーを受けて加速され、周囲のガス分子を電離させる。このように、プラズマ生成部２９では、ガス分子が雪崩式に電離し、比較的大きなマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマは、アンテナ２７からマイクロ波パルスが繰り返し放射されている期間に亘って維持される。

各プラズマ生成部２９では、マイクロ波プラズマが維持されている期間に、マイクロ波パルスの放射と停止が所定のデューティー比で繰り返される。このデューティー比は、マイクロ波プラズマが熱プラズマにならず、且つ、マイクロ波プラズマが消滅しないように、放射時間と停止時間が設定されている。各プラズマ生成部２９では、非平衡のマイクロ波プラズマが維持される。

プラズマ生成動作は、電磁波発生装置２１がマイクロ波パルスの出力を停止するまで継続される。プラズマ生成動作は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間（例えば数秒間）に亘って継続される。

各通路形成部材４１では、アンテナ２７と放電器２８の間付近にマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマは、内部通路４０を流れる排気ガスにより浄化触媒３１側へ流され、内部通路４０の出口から浄化触媒３１側へ吹き出される。プラズマ生成装置２０は、排気ガスの流れを利用してプラズマジェットを吹き出す。内部通路４０の出口から吹き出されたマイクロ波プラズマは、浄化触媒３１の内部まで到達し、浄化触媒３１の触媒金属（白金、ロジウム等）に接触する。これにより、浄化触媒３１は、マイクロ波プラズマにより直接的に加熱される。また、マイクロ波プラズマの形成領域ではＯＨラジカルなどの活性種が生成され、その活性種が浄化触媒３１の触媒金属に接触する。ＯＨラジカルは生存期間が短いが、マイクロ波プラズマを浄化触媒３１に接触させるので、多くの活性種が触媒金属に接触する。触媒金属は、活性種により一時的に酸化物となる。例えば、Ｐｔ（白金）はＰｔＯとなり、排気ガスと反応しやすい形態へ変化する。また、マイクロ波プラズマを通過する排気ガスは、酸化しやすい成分に分解される。その結果、浄化触媒３１の温度が上昇すると共に、浄化触媒３１の活性温度が低下する。本実施形態では、エンジンの電子制御装置が、エンジンの始動時に制御装置２６に対して開始指令を出力するので、エンジン始動時の浄化触媒３１の活性化に要する時間が短縮される。
−実施形態の効果−

本実施形態では、排気通路３０よりも狭い内部通路４０でプラズマを生成することで、排気ガスの流れ方向以外へのプラズマの拡散を抑制して、内部通路４０の出口４３から浄化触媒３１側へプラズマが吹き出されるようにしている。このため、浄化触媒３１に効果的にプラズマを接触させることができ、浄化触媒３１の活性化に要する時間を短縮することができる。

また、内部通路４０における浄化触媒３１寄りの位置でプラズマが生成されるので、浄化触媒３１におけるプラズマの侵入長が長くなり、浄化触媒３１においてプラズマに接触する触媒金属が多くなる。従って、浄化触媒３１の活性化に要する時間をさらに短縮することができる。

さらに、マイクロ波を封じ込める外側筒状部材５２の内側に、絶縁体の内側筒状部材５１を設けることで、プラズマが生成される通路断面を狭めて、プラズマのエネルギーを閉じ込めるようにしている。従って、内部通路４０で生成されたプラズマが拡散しにくいので、そのプラズマを浄化触媒３１側へ効果的に吹き出させることができる。

また、導電性の網状部材４５が、通路形成部材４１の内部通路４０に設けられているので効果的にマイクロ波のエネルギーが、内部通路４０に閉じ込められる。そのため、高密度のプラズマを生成することができる。

−実施形態の変形例１−

変形例１では、各プラズマ生成部２９において、図５に示すように、アンテナ２７からマイクロ波パルスが繰り返し放射されるマイクロ波放射期間に、放電器２８による放電が繰り返し行われる。つまり、マイクロ波によりマイクロ波プラズマを維持しようとする期間に、放電器２８による放電が繰り返し行われる。

変形例１では、プラズマ生成のトリガーとなる自由電子が繰り返し放出されるので、排気ガスの流れによってプラズマが消えるようなことがあっても、再びプラズマが生成される。従って、触媒を活性化するためのプラズマ生成動作が排気ガスの流れにより意図せず短縮されることを抑制することができる。
−実施形態の変形例２−

変形例２では、電磁波発生装置２１が複数設けられている。例えば、電磁波発生装置２１は、アンテナ２７毎に設けられている。
−実施形態の変形例３−

変形例３では、図６に示すように、各通路形成部材４１において、アンテナ２７と放電器２８とが複数組設けられている。

また、通路形成部材４１毎に電磁波発生装置２１と分配器２２の組合せが設けられている。そのため、浄化触媒３１に吹き付けられるプラズマの密度をさらに高くすることができる。
−実施形態の変形例４−

変形例４では、マイクロ波の代わりに、マイクロ波よりも周波数が低いキロヘルツ帯やメガヘルツ帯の高周波を用いてプラズマを生成する。プラズマ生成装置２０は、内部通路４０において放電を発生させる放電器２８と、内部通路４０に高周波のエネルギーを供給する高周波発生器とを備えている。プラズマ生成装置２０は、高周波発生器から内部通路４０へ高周波のエネルギーを供給する際に放電器２８による放電を行うことによりプラズマを生成する。例えば、通路形成部材４１に点火プラグ２８を設け、スパーク放電と同時に、高電圧の交流を中心電極と接地電極とに印加すると、比較的大きなプラズマが生成される。

なお、プラズマ生成装置２０は、変形例１のように、高周波発生器から内部通路４０に高周波のエネルギーを供給している期間に、放電器２８による放電を繰り返し行っても良い。高電圧の交流を点火プラグ２８へ供給している期間に、放電を繰り返し行うことで、排気ガスの流れによりプラズマが吹き消されても、再びプラズマを生成することができる。
−その他の実施形態−

前記実施形態は、以下のように構成してもよい。

前記実施形態において、浄化触媒３１は、三元触媒以外の他の触媒（例えば、尿素ＳＣＲシステムのＳＣＲ触媒）であってもよい。

また、内側筒状部材５１は、必ずしもセラミック、ガラスなどの材料に限らない。絶縁材料であれば、種々の材料が採用可能である。

また、前記実施形態において、プラズマ生成装置２０を、例えば燃焼炉の排気通路などエンジンの排気通路３０以外に適用してもよい。

また、前記実施形態において、プラズマ生成部２９が熱プラズマを生成するように、マイクロ波パルスのデューティー比が設定されていてもよいし、マイクロ波を連続的に放射してもよい。

また、前記実施形態において、通路形成部材４１として、外側筒状部材５２を省略し、内側筒状部材５１だけを用いてもよい。また、１つの外側筒状部材５２内に、複数の内側筒状部材５１を設けてもよい。

また、前記実施形態において、内側筒状部材５２の浄化触媒３１側が、外側筒状部材５２の開口から突出していてもよい。

また、前記実施形態において、プラズマ生成部２９は、マイクロ波だけによりマイクロ波プラズマを生成してもよい。

以上説明したように、本発明は、排気通路においてプラズマを生成するプラズマ生成装置について有用である。

２０ プラズマ生成装置
２７ アンテナ（電磁波生成手段）
２８ 放電器
２９ プラズマ生成部
３０ 排気通路
３１ 浄化触媒
４１ 通路形成部材
４０ 内部通路
４３ 内部通路の出口

Claims (4)

1. エンジンから排出された排気ガスを浄化するための浄化触媒が設けられた排気通路における前記浄化触媒の上流でプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、
   前記排気通路における前記浄化触媒の上流に収容され、排気ガスが通過する内部通路が形成された通路形成部材と、
   前記内部通路において前記内部通路に電磁波を放射してプラズマを生成するプラズマ生成部とを備え、
   前記内部通路を流れる排気ガスにより前記プラズマ生成部が生成したプラズマが前記内部通路の出口から吹き出して前記浄化触媒に到達するように、前記通路形成部材の前記内部通路の出口部分が前記浄化触媒に近接又は当接させるとともに、前記内部通路には、前記プラズマ生成部が放射する電磁波を、プラズマが生成される領域に閉じ込めるための導電性の網状部材が設けられていることを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ生成装置において、
   前記プラズマ生成部は、前記内部通路において放電を生じさせる共に、放電に伴って生成された放電プラズマに前記電磁波を供給して前記放電プラズマを拡大させることを特徴とするプラズマ生成装置。
3. 請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置において、
   前記通路形成部材は、前記排気通路における前記浄化触媒の上流に、前記排気通路の通路断面に沿って複数個並設され、
   前記プラズマ生成部は、前記各通路形成部材の内部通路においてプラズマを生成することを特徴とするプラズマ生成装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のプラズマ生成装置において、
   前記プラズマ生成部は、前記内部通路における前記浄化触媒寄りの位置でプラズマを生成することを特徴とするプラズマ生成装置。

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