JP6461731B2 - プラズマリアクタの印加電圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマリアクタの電極間に印加される電圧を制御する装置に関する。

エンジン、とくにディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などが含まれる。

排ガスに含まれるＰＭを除去する手法として、たとえば、ＰＭをＤＰＦ（Diesel particulate filter）で捕集し、燃料のポスト噴射または排気管内噴射により排ガスを昇温させて、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させる手法が提案されている。しかしながら、この手法は、ＰＭを燃焼させる際に燃料を消費することによる燃費の悪化の問題を有している。また、いわゆる街乗り（市街地走行）では、排ガスの温度がＰＭを燃焼させる高温にならないため、かかる手法は、街乗りに多用される小型車には不向きである。

そこで、プラズマリアクタを用いて、排ガスに含まれるＰＭを除去する手法が提案されている。プラズマリアクタは、複数の電極パネルを備えている。電極パネルは、誘電体に電極を内蔵した構成であり、複数の電極パネルは、排ガスの流れ方向と直交する方向に間隔を空けて対向配置される。電極間にパルス電圧が印加されると、誘電体バリア放電が生じて、電極パネル間に低温プラズマ（非平衡プラズマ）が発生し、電極パネル間を流れる排ガス中のＰＭが酸化により除去される。

特開２００２−１２９９４９号公報

電極間には、数ｋＶ〜数十ｋＶの高電圧が印加される。この高電圧は、変圧器（トランス）を含む昇圧回路で生成される。変圧器の一次側（一次コイル）には、電源が接続されている。電源の発生電圧が変圧器の一次側に入力されると、相互誘導作用により、二次側（二次コイル）に一次電圧より高い二次電圧が発生する。そして、その二次電圧がプラズマリアクタの電極間に印加される。

排ガスに含まれるＰＭを良好に除去するためには、プラズマリアクタの電極間に、排ガスに含まれるＰＭの量に応じた電圧を印加する必要がある。しかしながら、電源から電極間に電圧を直接に印加する構成ではないため、ＰＭの量に応じた目標電圧値が設定されて、電源の発生電圧が目標電圧値に応じた電圧に制御されても、その目標電圧値の電圧が電極間に印加されないおそれがある（変圧器の二次電圧が目標電圧からずれるおそれがある）。

本発明の目的は、プラズマリアクタの電極間に印加される印加電圧を精度よく制御できる、印加電圧制御装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るプラズマリアクタの印加電圧制御装置は、一次電源が発生する電圧をパルス波状に昇圧する昇圧回路の二次側からプラズマリアクタの電極間に印加される印加電圧を制御する装置であって、印加電圧により流れる電流を検出する検出手段と、検出手段により検出される電流の値を所定期間にわたって積算する積算手段と、積算手段により得られる１パルスの積算電流値と印加電圧の値との関係を記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶されている関係に基づいて、積算手段による積算電流値に応じた印加電圧の値を推定する推定手段と、推定手段により推定される印加電圧の値に基づいて、一次電源を制御する制御手段とを含む。

この構成によれば、昇圧回路により、一次電源の発生電圧よりも高い印加電圧が生成される。印加電圧は、プラズマリアクタの電極間に印加される。プラズマリアクタでは、印加電圧の印加により、電極間で放電が生じ、その放電によるプラズマが電極間に発生する。

印加電圧により流れる電流が検出され、その電流の値が１パルスのうちの所定期間にわたって積算される。積算により得られる積算電流値と印加電圧とには相関があり、その関係が予め求められて記憶手段に記憶されている。１パルスにおける積算電流値が得られると、記憶手段に記憶されている関係に基づいて、積算電流値に応じた印加電圧値が推定される。そして、その推定された印加電圧値に基づいて、電源が制御される。

電源を印加電圧値（推定値）に基づいて制御することにより、プラズマリアクタの電極間に印加される印加電圧を精度よく制御することができる。そのため、排ガスに含まれるＰＭの除去にプラズマリアクタが用いられる場合、排ガス中のＰＭの量に応じた目標電圧値の電圧をプラズマリアクタの電極間に印加することができ、電極間に発生するプラズマによりＰＭを良好に除去することができる。

なお、印加電圧を検出する電圧センサを設けて、その電圧センサの検出値に基づいて、電源を制御する構成が考えられる。しかしながら、プラズマリアクタの電極間に印加される印加電圧は、数ｋＶ〜数十ｋＶの高電圧であり、そのような高電圧を検出可能な電圧センサは、その生産が技術的に難しく、たとえ生産できたとしても、高価になり、量産には不向きである。これに対し、印加電圧により流れる電流の積算値（積算電流値）から印加電圧値が推定される構成では、電圧センサが不要であるから、安価に抑えることができ、量産を容易に可能にすることができる。

制御手段は、印加電圧の目標値である目標電圧値を設定し、推定手段により推定される印加電圧の値が当該目標電圧値と一致するように、電源が発生する電圧をフィードバック制御する構成であってもよい。

これにより、目標電圧値の電圧をプラズマリアクタの電極間に印加することができる。

本発明によれば、プラズマリアクタの電極間に印加される印加電圧を精度よく制御することができる。そのため、排ガスに含まれるＰＭの除去にプラズマリアクタが用いられる場合、排ガス中のＰＭの量に応じた目標電圧値の電圧をプラズマリアクタの電極間に印加することができ、電極間に発生するプラズマによりＰＭを良好に除去することができる。

ＰＭ除去装置の構成を図解的に示す断面図である。 パルス発生電源の概略構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る印加電圧制御装置の構成を示すブロック図である。 パルス発生電源の出力電流（昇圧トランスの二次電圧により流れる電流）の波形を示す図である。 パルス発生電源の出力電流の積算値（積算電流値）とプラズマリアクタの電極間に印加される印加電圧値との関係を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜ＰＭ除去装置＞

図１は、ＰＭ除去装置１の構成を図解的に示す断面図である。

ＰＭ除去装置１は、たとえば、自動車のエンジン（図示せず）から排出される排ガスに含まれるＰＭを除去するための装置であり、エキゾーストパイプなどの排気管２の途中部に介装される。ＰＭ除去装置１は、流通管３、プラズマリアクタ４およびパルス発生電源５を備えている。

流通管３は、一端部および他端部にそれぞれ排ガス流入口１１および排ガス流出口１２を有する管状（筒状）をなしている。排ガス流入口１１は、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａに接続され、排ガス流出口１２は、排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに接続されている。エンジンから排出される排ガスは、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａを流れ、排ガス流入口１１から流通管３に流入して、流通管３を流通し、排ガス流出口１２から排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに流出する。

プラズマリアクタ４は、流通管３内に配置されている。プラズマリアクタ４は、複数の電極パネル２１を備えている。

電極パネル２１は、四角板状をなし、誘電体２２に電極２３を内蔵した構成、言い換えれば、電極２３をその両面から誘電体２２で挟み込んだ構成を有している。誘電体２２の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を例示することができる。電極２３の材料としては、タングステンを例示することができる。電極パネル２１は、流通管３における排ガスの流通方向（排ガス流入口１１から排ガス流出口１２に向かう方向）に延び、排ガスの流通方向と直交する方向に等間隔を空けて並列に配置されている。

電極２３には、誘電体２２の積層方向の一端側から順に、プラス配線２４およびマイナス配線２５が交互に接続されている。プラス配線２４およびマイナス配線２５は、それぞれパルス発生電源５のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。

＜パルス発生電源＞

図２は、パルス発生電源５の概略構成を示す回路図である。

パルス発生電源５は、所定の可変範囲内の直流電圧を発生する電源３１と、電源３１の発生電圧を昇圧する昇圧回路３２と、昇圧回路３２の通電／停止を切り替えるスイッチング素子３３とを備えている。

昇圧回路３２は、たとえば、昇圧トランス３４を含む。

スイッチング素子３３は、たとえば、ＭＯＳＦＥＴからなる。

パルス発生電源５でパルス電圧を発生させるため、スイッチング素子３３が一定の周期で短時間だけオンにされる。スイッチング素子３３がオンされている間、電源３１の発生電圧による電流が昇圧トランス３４の一次コイル３５に流れる。そして、相互誘導作用により、昇圧トランス３４の二次コイル３６に電源３１の発生電圧（一次電圧）より高い二次電圧がパルス的に発生する。二次コイル３６の両端は、プラス配線２４およびマイナス配線２５を介して、プラズマリアクタ４の電極２３に接続されている。これにより、電極２３間にパルス電圧が印加され、誘電体バリア放電が生じ、電極パネル２１間に誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。このプラズマの発生により、電極パネル２１間を流通する排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

＜印加電圧制御装置＞

図３は、本発明の一実施形態に係る印加電圧制御装置４１の構成を示すブロック図である。図４は、パルス発生電源５の出力電流（昇圧トランス３４の二次電圧により流れる電流）の波形を示す図である。図５は、パルス発生電源５の出力電流の積算値（積算電流値）とプラズマリアクタ４の電極２３間に印加される印加電圧値との関係を示すグラフである。

印加電圧制御装置４１は、図３に示されるように、電流センサ４２、電流積算回路４３、印加電圧値推定部４４、目標電圧値設定部４５および減算器４６を備えている。また、印加電圧制御装置４１は、ＣＰＵおよびメモリなどを備えており、たとえば、印加電圧値推定部４４および目標電圧値設定部４５の一部の機能は、ＣＰＵによる演算処理により実現される。

パルス発生電源５の昇圧回路３２（昇圧トランス３４）の二次電圧がパルス的に発生することにより、パルス発生電源５から出力される電流は、図４に示されるように、パルス波状に変化する。

電流センサ４２は、パルス発生電源５から出力される電流を検出し、その電流値［Ａ］に応じた信号を出力する。

電流積算回路４３は、積分回路を含み、たとえば、パルス発生電源５から電流が出力され始めてからその電流値が最大値に変化するまでの期間にわたって、電流センサ４２により検出される電流値を積算（積分）する。そして、電流積算回路４３は、その積算により得られる積算電流値［Ａ・ｓ］を出力する。積算電流値は、パルス波状に変化する電流がパルス発生電源５から次に出力されるまでの間に、零にリセットされる。

印加電圧値推定部４４には、図５に示される関係が記憶されている。すなわち、印加電圧値推定部４４には、積算電流値とプラズマリアクタ４の電極２３間に印加される印加電圧値［Ｖ］との関係が２次元マップの形態で記憶されている。印加電圧値推定部４４は、電流積算回路４３が出力する積算電流値を取得し、図５に示される関係から、積算電流値に応じた印加電圧値を推定する。

目標電圧値設定部４５は、プラズマリアクタ４の電極２３間に印加される印加電圧の目標値（目標電圧値）を設定する。具体的には、目標電圧値設定部４５は、エンジン（図示せず）から排出される排ガスの空燃比を取得し、空燃比から排ガスの単位体積に含まれるＰＭの量を求める。そして、目標電圧値設定部４５は、その求めたＰＭの量に応じた目標電圧値を設定する。

なお、ＰＭの量は、エンジン回転数や燃料噴射量などから実験的に求めることができるため、目標電圧値設定部４５は、エンジン回転数や燃料噴射量などのエンジン運転条件からＰＭの量を求めて、その求めたＰＭの量（推定量）に応じた目標電圧値を設定してもよい。

減算器４６は、目標電圧値設定部４５により設定される目標電圧値から印加電圧値推定部４４により推定される印加電圧値を減算する。

そして、印加電圧制御装置４１では、減算器４６により演算された減算値に基づいて、目標電圧値設定部４５により設定された目標電圧値の電圧がプラズマリアクタ４の電極２３間に印加されるように、電源３１の発生電圧がフィードバック制御される。具体的には、印加電圧制御装置４１には、図示されないが、減算器４６により演算された減算値から制御値を演算する制御値演算部が備えられており、制御値演算部により演算された制御値が電源３１の発生電圧の目標値に設定されて、電源３１の発生電圧が制御される。

なお、電流積算回路４３から出力される積算電流値が所定の範囲外である場合、印加電圧制御装置４１では、パルス発生電源５とプラズマリアクタ４の電極２３との間での断線や電極２３の異常などが発生していると判断される。

＜作用効果＞

以上のように、電流センサ４２により、パルス発生電源５から出力される電流が検出され、電流積算回路４３により、その検出される電流の値が積算される。この積算により得られる積算電流値とプラズマリアクタ４の電極２３間に印加される印加電圧値とには、図５に示される相関があり、その関係が予め求められて、印加電圧値推定部４４に記憶されている。積算電流値が得られると、印加電圧値推定部４４に記憶されている関係に基づいて、積算電流値に応じた印加電圧値が推定される。そして、その推定された印加電圧値に基づいて、電源３１が制御される。

電源３１を印加電圧値（推定値）に基づいて制御することにより、プラズマリアクタ４の電極２３間に印加される印加電圧を精度よく制御することができる。そのため、排ガス中のＰＭの量に応じた目標電圧値の電圧をプラズマリアクタ４の電極２３間に印加することができ、電極２３間に発生するプラズマによりＰＭを良好に除去することができる。

＜変形例＞

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、電流積算回路４３では、パルス発生電源５から電流が出力され始めてからその電流値が最大値に変化するまでの期間にわたって、電流センサ４２により検出される電流値が積算されるとした。これに代えて、電流積算回路４３において、パルス発生電源５から電流が出力され始めてからその出力が終了するまでの期間にわたって、電流センサ４２により検出される電流値（絶対値）が積算されてもよい。すなわち、パルス発生電源５からプラズマリアクタ４の電極２３にパルス電圧が１回印加される度に、パルス発生電源５とプラズマリアクタ４の電極２３との間に流れる電流値が積算されてもよい。

また、昇圧回路３２は、昇圧トランス３４を備える構成に限らず、昇圧チョッパ回路であってもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

４ プラズマリアクタ
２３ 電極
３１ 電源（一次電源）
３２ 昇圧回路
４１ 印加電圧制御装置（制御手段）
４２ 電流センサ（検出手段）
４３ 電流積算回路（積算手段）
４４ 印加電圧値推定部（記憶手段、推定手段）
４５ 目標電圧値設定部（制御手段）
４６ 減算器（制御手段）

Claims (1)

1. 一次電源が発生する電圧をパルス波状に昇圧する昇圧回路の二次側からプラズマリアクタの電極間に印加される印加電圧を制御する装置であって、
   前記印加電圧により流れる電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出される電流の値を所定期間にわたって積算する積算手段と、
   前記積算手段により得られる１パルスにおける積算電流値と前記印加電圧の値との関係を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶されている関係に基づいて、前記積算手段による積算電流値に応じた前記印加電圧の値を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定される印加電圧の値に基づいて、前記一次電源を制御する制御手段とを含む、印加電圧制御装置。

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