JP6713199B2 - プラズマリアクタ用制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマリアクタに用いられる制御装置に関する。

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、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、たとえば、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。プラズマリアクタ用電源装置から電極間に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。

プラズマリアクタ用電源装置には、フライバック型昇圧トランスが備えられている。フライバック型昇圧トランスの一次コイルには、スイッチング素子が直列に接続され、その一次コイルとスイッチング素子との直列回路には、直流電源が接続されている。フライバック型昇圧トランスの二次コイルは、プラズマリアクタの電極に接続されている。

スイッチング素子がオンされると、昇圧トランスの一次コイルに電流が流れ、一次コイルにエネルギが蓄積される。その後、スイッチング素子がオフされると、一次コイルに蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイルに起電力が生じ、昇圧トランスの二次コイルに巻数比に応じた二次電圧が発生する。スイッチング素子のオン／オフが繰り返されることにより、二次電圧がパルス的に発生し、パルス波状に変化する二次電圧がプラズマリアクタの電極間に印加される。

特開２００２−１２９９４９号公報

プラズマリアクタを流通する排ガスからＰＭをリアルタイムで１００％除去することは難しく、電極パネルの表面にＰＭが付着する。電極パネルへのＰＭの付着量が増えると、電極パネル間の全体で放電が均一に生じず、特定の箇所での放電が強くなったり、電極パネルの表面に沿った沿面放電が生じたりし、ＰＭ除去率が低下する。また、ＰＭの付着がさらに進行すると、電極の給電端子と電極パネルを取り囲む筐体との間の抵抗値が低下し、漏電などの不具合を招くおそれがある。

本発明の目的は、プラズマリアクタにおけるＰＭの異常付着を判定できる、プラズマリアクタ用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用制御装置は、エンジンから排出される排ガスに含まれるＰＭを除去するためのプラズマリアクタに用いられる制御装置であって、フライバック型昇圧トランスに一次電圧を一定時間にわたって印加する一次電圧印加手段と、フライバック型昇圧トランスからプラズマリアクタの電極に印加される電流に応じて変化する特性値を取得する特性値取得手段と、特性値取得手段によって取得される特性値が所定の付着判定値以上である場合、プラズマリアクタにＰＭが異常付着していると判定する異常付着判定手段とを含む。

この構成によれば、プラズマリアクタの電極には、フライバック型昇圧トランスが接続されている。フライバック型昇圧トランスに一次電圧が印加された後、その一次電圧の印加が停止されると、フライバック型昇圧トランスの二次側に二次電圧がパルス的に発生する。この二次電圧がプラズマリアクタの電極間に印加されることにより、電極間で放電が生じ、電極に電流が流れる。

フライバック型昇圧トランスに一次電圧が一定時間にわたって印加された後に、プラズマリアクタの電極に流れる電流（フライバック型昇圧トランスから電極に印加される電流）に応じて変化する特性値が取得され、その特性値が所定の付着判定値以上である場合、プラズマリアクタにＰＭが異常付着していると判定される。

プラズマリアクタの電極に流れる電流は、電極間における放電の状態によって変化する。電極間における放電の状態は、プラズマリアクタ（誘電体に電極を内蔵した構成の電極パネル）に付着しているＰＭ量によって変化する。具体的には、プラズマリアクタにおけるＰＭ付着量が増えると、特定の箇所での放電が強くなったり、沿面放電が生じたりする。そのため、図５に示されるように、プラズマリアクタに所定量以上のＰＭが付着している時（ＰＭ付着時）とプラズマリアクタにおけるＰＭ付着量が所定量未満の時（通常放電時）とにおいて、フライバック型昇圧トランスに一次電圧が一定時間にわたって印加された後にプラズマリアクタの電極に流れる電流を比較すると、ＰＭ付着時に電極に流れる電流が通常放電時に電極に流れる電流よりも大きくなる。

それゆえ、フライバック型昇圧トランスに一次電圧が一定時間にわたって印加された後に、フライバック型昇圧トランスから電極に印加される電流に応じて変化する特性値が付着判定値以上であることを以て、プラズマリアクタにＰＭが異常付着していると判定することができる。プラズマリアクタにおけるＰＭの異常付着を判定できるので、ＰＭ除去率の低下や漏電などの不具合の発生を抑制する対策を講じることができる。

本発明によれば、プラズマリアクタにＰＭが異常付着していると判定することができ、その判定に従って、ＰＭ除去率の低下や漏電などの不具合の発生を抑制する対策を講じることができる。

プラズマリアクタの構成を図解的に示す断面図である。 プラズマリアクタ用電源装置の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。 異常付着判定処理の流れを示すフローチャートである。 一次電圧およびプラズマリアクタに印加される電流の波形を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係るプラズマリアクタ用制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。

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。

＜プラズマリアクタ＞
図１は、プラズマリアクタ１の構成を図解的に示す断面図である。

プラズマリアクタ１は、たとえば、車両のエンジン（図示せず）から排出される排ガスに含まれるＰＭを除去するために、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。

プラズマリアクタ１には、放電電極３，４が備えられている。放電電極３，４は、それぞれ排ガスの流れに沿う方向に延び、互いに間隔を空けて平行をなして交互に配置されている。放電電極３，４の材料としては、タングステンを例示することができる。また、放電電極３，４は、たとえば、それぞれ四角板状の誘電体５に内蔵されることにより、誘電体５とともに電極パネル６を構成している。電極パネル６間には、排ガスが流通可能な間隔が空けられている。誘電体５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。

放電電極３，４の給電端子Ｔは、複数の電極パネル６を一括して取り囲む筐体Ｃの外部に引き出されており、放電電極３，４間には、給電端子Ｔを介して、プラズマリアクタ用電源装置７から出力されるパルス波状の高電圧が印加される。プラズマリアクタ用電源装置７の出力電圧が放電電極３，４間に印加されることにより、電極パネル６間に誘電体バリア放電が生じ、その誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。プラズマの発生により、電極パネル６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。

＜プラズマリアクタ用電源装置＞
図２は、プラズマリアクタ用電源装置７の構成を示す回路図である。

プラズマリアクタ用電源装置７は、フライバックコンバータの構成を有している。すなわち、プラズマリアクタ用電源装置７は、昇圧トランス（フライバック型昇圧トランス）１１および通電制御用スイッチング素子１２を備えている。また、プラズマリアクタ用電源装置７は、ゲートドライブ回路１３を備えている。

昇圧トランス１１は、一次コイル２１および二次コイル２２を有している。一次コイル２１の一端は、配線２３に接続されている。配線２３には、ヒューズ２４を介して、バッテリ２５のプラス端子が接続されている。バッテリ２５は、たとえば、１２Ｖの直流電圧を出力する車載バッテリである。一次コイル２１の他端は、通電制御用スイッチング素子１２を介して、グランドに接続（接地）されている。二次コイル２２の一端および他端は、それぞれプラズマリアクタ１の放電電極３，４に接続されている。

通電制御用スイッチング素子１２は、たとえば、エンハンスメント型のｎＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインが昇圧トランス１１の一次コイル２１の他端に接続され、ソースがグランドに接続されている。

ゲートドライブ回路１３は、通電制御用スイッチング素子１２をオン／オフするための信号（ゲート信号）を出力する回路である。

＜プラズマリアクタ用制御装置＞
プラズマリアクタ用電源装置７からプラズマリアクタ１に供給される電力を制御するため、プラズマリアクタ用制御装置３１がプラズマリアクタ用電源装置７に接続されている。

プラズマリアクタ用制御装置３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを含む構成であり、車両に搭載された複数のＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）のうちの１つであってもよいし、ＥＣＵの１つに組み込まれていてもよい。プラズマリアクタ用制御装置３１には、電流センサ３２が接続されている。電流センサ３２は、プラズマリアクタ１の放電電極３，４に印加される印加電流、つまりプラズマリアクタ用電源装置７から出力される印加電流を検出し、その電流値に応じた信号を出力する。

プラズマリアクタ用制御装置３１は、ゲートドライブ回路１３を制御し、ゲートドライブ回路１３からの信号の出力／停止を切り替える。すなわち、プラズマリアクタ用制御装置３１からゲートドライブ回路１３にオン指示信号が入力されると、ゲートドライブ回路１３から信号が出力され、その信号が通電制御用スイッチング素子１２に入力されることにより、通電制御用スイッチング素子１２がオンになる。プラズマリアクタ用制御装置３１からゲートドライブ回路１３にオフ指示信号が入力されると、ゲートドライブ回路１３からの信号の出力が停止され、通電制御用スイッチング素子１２のゲートへの信号の入力がなくなることにより、通電制御用スイッチング素子１２がオフになる。

通電制御用スイッチング素子１２がオンになると、昇圧トランス１１の一次コイル２１にバッテリ２５の電圧が一次電圧として印加され、一次コイル２１にエネルギが蓄積される。その後、通電制御用スイッチング素子１２がオフになると、一次コイル２１に蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイル２１に起電力が生じ、昇圧トランス１１の二次コイル２２に巻数比に応じた二次電圧が発生する。通電制御用スイッチング素子１２のオン／オフが繰り返されることにより、二次電圧がパルス的に発生し、パルス波状に変化する二次電圧がプラズマリアクタ１の放電電極３，４間に印加される。

図３は、本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用制御装置３１の機能的な構成を示すブロック図である。

プラズマリアクタ用制御装置３１は、電流積算部４１、印加電圧推定部４２、目標電圧設定部４３、減算部４４、信号出力部４５および異常付着判定部４６を備えている。

電流積算部４１は、たとえば、電流センサ３２によって検出される印加電流の電流値を時間積分する積分回路と、この積分回路の出力を増幅してその極性を反転する反転増幅器と、反転増幅器の出力の最大値を保持して出力するピークホールド・リセット回路とを含むアナログ回路で構成されている。ピークホールド・リセット回路は、一般的なピークホールド回路とリセット回路とを組み合わせたものである。リセット回路は、ピークホールド回路のホールドコンデンサと並列に設けられるリセットスイッチをオン／オフする回路である。

なお、リセット回路には、プラズマリアクタ用制御装置３１からゲートドライブ回路１３（図２参照）へのオン指示信号が出力される度に、そのオン指示信号の出力からオフ指示信号の出力までの期間内に、リセット信号が入力される。これにより、電流積算部４１は、プラズマリアクタ用電源装置７からパルス波状の二次電圧が１パルス出力される度に、印加電流値が正の値をとる期間の積算電流値を出力する。

印加電圧推定部４２には、電流積算部４１から積算電流値が入力される。プラズマリアクタ用制御装置３１の不揮発性メモリ（ＲＯＭ、フラッシュメモリまたはＥＥＰＲＯＭなど）には、積算電流値と印加電圧値との関係が２次元マップの形態で記憶されている。印加電圧推定部４２は、その関係に基づいて、電流積算部４１から入力される積算電流値に対応する印加電圧値を取得し、当該印加電圧値を放電電極３，４間に印加されている印加電圧値として推定する。

目標電圧設定部４３は、プラズマリアクタ１の放電電極３，４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、目標電圧設定部４３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量を求める。そして、目標電圧設定部４３は、その求めたＰＭ量に応じた目標電圧値を設定する。

減算部４４は、目標電圧設定部４３により設定される目標電圧値から印加電圧推定部４２により推定される印加電圧値を減算する。

信号出力部４５は、減算部４４により演算された減算値が０に近づくように、ゲートドライブ回路１３へのオン指示信号およびオフ指示信号の入力を制御し、通電制御用スイッチング素子１２のオン／オフを制御する。

異常付着判定部４６は、プラズマリアクタ１におけるＰＭの異常付着を判定するため、昇圧トランス１１の一次コイル２１に一次電圧を一定時間にわたって印加させる指令を信号出力部４５に入力する。これに応じて、信号出力部４５は、ゲートドライブ回路１３にオン指示信号を一定時間にわたって入力し、通電制御用スイッチング素子１２を一定時間にわたってオンにする。信号出力部４５からゲートドライブ回路１３にオフ指示信号が入力された後、異常付着判定部４６には、電流積算部４１から印加電流の積算電流値が判定用積算電流値として入力される。異常付着判定部４６は、電流積算部４１から入力される判定用積算電流値に基づいて、プラズマリアクタ１におけるＰＭの異常付着を判定する。そして、異常付着判定部４６は、プラズマリアクタ１にＰＭが異常付着していると判定した場合には、たとえば、ＰＭ除去率の低下を抑制するため、目標電圧設定部４３に目標電圧値を増大させる指令を入力する。

＜異常付着判定処理＞
図４は、異常付着判定処理の流れを示すフローチャートである。

異常付着判定部４６は、プラズマリアクタ１（電極パネル６）へのＰＭの異常付着を判定するため、図４に示される異常付着判定処理を実行する。

異常付着判定処理では、まず、判定用積算電流値を前回測定（取得）してから車両が一定距離（たとえば、５０ｋｍ）以上走行したか否かが判断される（ステップＳ１）。

一定距離以上走行していない場合には（ステップＳ１のＮＯ）、これ以降の処理は実行されない。

判定用積算電流値を前回取得してから車両が一定距離以上走行している場合には（ステップＳ１のＹＥＳ）、一定条件が成立したときに、昇圧トランス１１の一次コイル２１に一次電圧が一定時間にわたって印加される（ステップＳ２）。一定条件は、たとえば、車両のエンジンが始動されるという条件であってもよいし、アイドリングストップ機能によりエンジンが停止されるという条件であってもよい。

昇圧トランス１１の一次コイル２１に一次電圧が一定時間にわたって印加された後、その一次電圧の印加が停止されると、昇圧トランス１１の二次コイル２２に二次電圧がパルス的に発生する。この二次電圧がプラズマリアクタ１の放電電極３，４間に印加されることにより、電極パネル６間に誘電体バリア放電が生じ、放電電極３，４に電流が流れる。このとき、電流積算部４１により、放電電極３，４に流れる電流値、つまり電流センサ３２によって検出される印加電流の電流値が積算されて、これにより得られる積算電流値が判定用積算電流値として異常付着判定部４６に入力される。

そして、異常付着判定部４６により、電流積算部４１から入力される判定用積算電流値が予め設定されたＰＭ付着判定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ３）。

判定用積算電流値がＰＭ付着判定値以上でない場合、つまり判定用積算電流値がＰＭ付着判定値未満である場合（ステップＳ３のＮＯ）、ステップＳ１に処理が戻り、判定用積算電流値の前回の取得から車両が一定距離以上走行したか否かが再び判断される。

一方、判定用積算電流値がＰＭ付着判定値以上である場合には（ステップＳ３のＹＥＳ）、プラズマリアクタ１にＰＭが異常付着していると判定されて（ステップＳ４）、異常付着判定処理が終了される。

＜作用効果＞
以上のように、プラズマリアクタ１の放電電極３，４には、プラズマリアクタ用電源装置７が接続されている。プラズマリアクタ用電源装置７の昇圧トランス１１に一次電圧が一定時間にわたって印加された後に、プラズマリアクタ１の放電電極３，４に流れる電流に応じて変化する判定用積算電流値が取得され、その判定用積算電流値が所定のＰＭ付着判定値以上である場合、プラズマリアクタ１にＰＭが異常付着していると判定される。

プラズマリアクタ１の放電電極３，４に流れる電流は、放電電極３，４間における放電の状態によって変化する。放電電極３，４間における放電の状態は、プラズマリアクタ１（電極パネル６）に付着しているＰＭ量によって変化する。具体的には、プラズマリアクタ１におけるＰＭ付着量が増えると、特定の箇所での放電が強くなったり、沿面放電が生じたりする。そのため、図５に示されるように、プラズマリアクタ１に所定量以上のＰＭが付着している時（ＰＭ付着時）とプラズマリアクタ１におけるＰＭ付着量が所定量未満の時（通常放電時）とにおいて、プラズマリアクタ用電源装置７の昇圧トランス１１に一次電圧が一定時間にわたって印加された後にプラズマリアクタ１の放電電極３，４に流れる電流を比較すると、ＰＭ付着時に放電電極３，４に流れる電流が通常放電時に放電電極３，４に流れる電流よりも大きくなる。

それゆえ、プラズマリアクタ用電源装置７の昇圧トランス１１に一次電圧が一定時間にわたって印加された後に、プラズマリアクタ用電源装置７から放電電極３，４に印加される電流に応じて変化する積算電流値がＰＭ付着判定値以上であることを以て、プラズマリアクタ１にＰＭが異常付着していると判定することができる。プラズマリアクタ１におけるＰＭの異常付着を判定できるので、ＰＭ除去率の低下や漏電などの不具合の発生を抑制する対策を講じることができる。

＜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、プラズマリアクタ用電源装置７からプラズマリアクタ１の放電電極３，４に印加される電流に応じて変化する特性値が電流積算値である場合を例にとったが、図６に示される構成が採用されて、プラズマリアクタ用電源装置７の昇圧トランス１１に一次電圧が一定時間にわたって印加された後に、ピーク検出部４７により、プラズマリアクタ用電源装置７から放電電極３，４に印加される電流のピーク値が特性値として取得されてもよい。そして、ピーク検出部４７によって取得されたピーク値が予め設定されたＰＭ付着判定値以上である場合に、異常付着判定部４６により、プラズマリアクタ１にＰＭが異常付着していると判定されてもよい。

ピーク検出部４７は、たとえば、電流センサ３２によって検出される印加電流の電流値の高周波成分を通過させるハイパスフィルタ回路と、このハイパスフィルタ回路の出力を増幅してその極性を反転する反転増幅器と、反転増幅器の出力の最大値を保持して出力するピークホールド・リセット回路とを含むアナログ回路で構成することができる。ピークホールド・リセット回路は、一般的なピークホールド回路とリセット回路とを組み合わせたものである。リセット回路は、ピークホールド回路のホールドコンデンサと並列に設けられるリセットスイッチをオン／オフする回路である。

なお、リセット回路には、プラズマリアクタ用制御装置３１からゲートドライブ回路１３（図２参照）へのオン指示信号が出力される度に、そのオン指示信号の出力からオフ指示信号の出力までの期間内に、リセット信号が入力される。これにより、ピーク検出部４７は、プラズマリアクタ用電源装置７からパルス波状の二次電圧が１パルス出力される度に、印加電流値が正の値をとる期間におけるピーク電流値を出力する。

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。

１ プラズマリアクタ
３ 放電電極（電極）
４ 放電電極（電極）
７ プラズマリアクタ用電源装置
１１ 昇圧トランス（フライバック型昇圧トランス）
３１ プラズマリアクタ用制御装置
３２ 電流センサ
４１ 電流積算部（特性値取得手段）
４６ 異常付着判定部（異常付着判定手段）
４７ ピーク検出部（特性値取得手段）

Claims (1)

1. エンジンから排出される排ガスに含まれるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を除去するためのプラズマリアクタに用いられる制御装置であって、
   前記プラズマリアクタの電極に接続されたフライバック型昇圧トランスに一次電圧を一定時間にわたって印加する一次電圧印加手段と、
   前記電極に印加される電流に応じて変化する特性値として当該電流の電流値を積算した積算電流値または当該電流のピーク値を取得する特性値取得手段と、
   前記特性値取得手段によって取得される特性値が所定の付着判定値以上である場合、前記プラズマリアクタにＰＭが異常付着していると判定する異常付着判定手段とを含む、プラズマリアクタ用制御装置。

Images