JP6864587B2 - 排ガス浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、排ガス浄化システム、詳しくは、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化システムに関する。

自動車などの内燃機関から排出される排ガスには、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害成分が含まれており、これらを浄化するための手段として、排ガス浄化用触媒（三元触媒）およびプラズマリアクタが知られている。

排ガス浄化触媒およびプラズマリアクタは、例えば、排ガス流路に介在されており、具体的には、例えば、エンジンに取り付けられた排ガス管に接続された第一のＮＯｘ還元触媒装置と、第一の還元触媒装置に接続された放電プラズマ装置と、放電プラズマ装置に接続された第二のＮＯｘ還元触媒装置と、放電プラズマ装置に高電圧を供給する高電圧電源と、第二のＮＯｘ還元触媒装置に接続された酸化触媒装置とを備える排ガス処理装置が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−２７５６８６号公報

しかるに、特許文献１に記載される排ガス処理装置では、ＮＯｘ還元触媒装置中の触媒が使用に伴って劣化し、排ガス浄化性能が低下するという不具合がある。

一方、触媒の劣化を見込んで過剰量の触媒を使用することも検討される。しかし、このような方法では、高コスト化を惹起するという不具合がある。

本発明は、低コストで排ガス浄化性能の低下を抑制できる排ガス浄化システムである。

本発明［１］は、内燃機関において生じる排ガスが通過可能な排気管と、前記排気管に介在される排ガス浄化触媒と、前記排ガス浄化触媒よりも下流側において前記排気管に介在されるプラズマリアクタと、前記プラズマリアクタに電力を印加する電源と、前記排ガス浄化触媒における浄化性能を検知する触媒センサと、前記電源の出力を制御する制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記触媒センサの検知に基づいて、前記排ガス浄化触媒の劣化の度合いを算出し、前記排ガス浄化触媒の劣化の度合いに応じた電力を前記プラズマリアクタに印加するように、前記電源の出力を制御する、排ガス浄化システムを含んでいる。

本発明の排ガス浄化システムでは、触媒センサにより、排ガス浄化触媒における浄化性能を検知し、その検知に基づいて、排ガス浄化触媒の劣化の度合いを算出し、排ガス浄化触媒の劣化の度合いに応じた電力を、電源からプラズマリアクタに印加する。

このような排ガス浄化システムによれば、排ガス浄化触媒が劣化しても、排ガス浄化性能が低下した度合いに応じて、より高い出力でプラズマリアクタを作動させることができ、プラズマリアクタによる排ガス浄化性能を向上させることができる。

その結果、本発明の排ガス浄化システムによれば、低コストで排ガス浄化性能の低下を抑制できる。

図１は、本発明の排ガス浄化システムの一実施形態を示す概略図である。 図２は、図１の制御ユニットにおいて実行される制御処理を示すフロー図である。

１．排ガス浄化システムの全体構成
図１において、排ガス浄化システム１は、例えば、自動車のガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関２から排出される排ガスを浄化するシステムである。このような排ガス浄化システム１および内燃機関２が、自動車のエンジンユニット１０を構成する。

排ガス浄化システム１は、内燃機関２において生じる排ガスが通過可能な排気管３と、排気管３に介在される触媒ユニット４と、触媒ユニット４よりも下流側において排気管３に介在されるプラズマリアクタ５と、プラズマリアクタ５に電力を印加（供給）する電源６とを備えている。

排気管３は、内燃機関２の各気筒から排ガスを排出するために設けられる管（例えば、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプなど）であって、内燃機関２で生じる排ガスの排気経路を構成している。

触媒ユニット４は、排気管３における排ガスの流れ方向途中部分において、排ガスに含まれる有害成分を浄化するために設けられている。

有害成分は、内燃機関２の種類などに応じて異なるが、例えば、内燃機関２がガソリンエンジンである場合は、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）などが挙げられ、また、内燃機関２がディーゼルエンジンである場合は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）などが挙げられる。

このような触媒ユニット４は、内部に排ガス浄化触媒を備えている。より具体的には、触媒ユニット４は、例えば、触媒担体およびその担体上にコーティングされる排ガス浄化触媒を備えている。

排ガス浄化触媒は、上記した有害成分の種類に応じて適宜選択されるが、例えば、公知の三元触媒（貴金属触媒など）などが挙げられる。

プラズマリアクタ５は、触媒ユニット４よりも排ガスの流れ方向下流側において、触媒ユニット４で浄化されずに残存する有害成分（後述）を浄化するために設けられている。

より具体的には、プラズマリアクタ５は、詳しくは図示しないが、排気管３と一体的に形成される矩形筒状の筐体部と、筐体部の内側において互いに間隔を隔てて対向配置される複数の誘電板および電極とを備えている。このようなプラズマリアクタ５では、電極に電力を印加（供給）することにより、電力に応じた出力でプラズマが発生する。

電源６は、プラズマリアクタ５に電力を印加するために設けられており、プラズマリアクタ５の電極（図示せず）に電気的に接続されている（図１破線参照。）。そして、電源６からプラズマリアクタ５の電極に対して電力が印加（供給）されることにより、プラズマリアクタ５内にプラズマが発生する。

このような電源６としては、例えば、直流電源、交流電源、パルス電源などが挙げられ、好ましくは、パルス電源が挙げられる。

また、詳しくは後述するが、電源６は、制御ユニット８（後述）に電気的に接続されており、後述する制御フローに基づいて、その動作が制御される。

さらに、排ガス浄化システム１は、上記した排ガス浄化触媒の浄化性能を検知する触媒センサ７と、上記した電源６の出力を制御する制御ユニット８とを備えている。

触媒センサ７としては、排ガス浄化触媒の浄化性能を検知することができれば、特に制限されず、公知の触媒センサが用いられる。例えば、排ガス浄化触媒における酸素吸蔵量を測定することによって、その浄化性能を検知する触媒センサ（例えば、特開２０１１−１８５１７２号公報に記載の触媒劣化検出装置）や、例えば、排ガス浄化触媒よりも上流側に配置されるフロント空燃比センサの応答性と、排ガス浄化触媒よりも下流側に配置されるリア空燃比センサの応答性とを対比することにより、排ガス浄化触媒の浄化性能を検知する触媒センサ（例えば、特開２０１３−１８９９０２号公報記載の触媒劣化判定装置など）などが挙げられる。

触媒センサ７によって、排ガス浄化触媒の浄化性能を測定することにより、後述する制御ユニット８が、排ガス浄化触媒の初期の浄化性能に対する劣化の度合いを算出可能としている。

制御ユニット８は、排ガス浄化システム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。

この制御ユニット８は、触媒センサ７および電源６に電気的に接続されており（図１破線参照）、上記した触媒センサ７の検知に基づいて、電源６の出力を制御する。

２．排ガスの浄化
図１に示される排ガス浄化システム１において、内燃機関２が駆動開始されると、内燃機関２から排ガスが生じ、排気管３に供給される（図１矢印参照。）。

排ガスは、排気管３内を通過して、触媒ユニット４に供給される。

触媒ユニット４では、排ガス中の有害成分の少なくとも一部が、排ガス浄化触媒によって浄化（除去）される。その後、排ガスは、触媒ユニット４から排出される。

このとき、触媒ユニット４を通過した排ガスには、排ガス浄化触媒によって浄化されずに残存する有害成分（すなわち、未浄化の有害成分）が、含まれる場合がある。

このような場合、上記の排ガス浄化システム１では、触媒ユニット４よりも下流側において、プラズマリアクタ５を駆動させることにより、未浄化の有害成分を浄化することができる。

より具体的には、触媒ユニット４を通過した排ガスは、排気管３を介して、プラズマリアクタ５に供給される。

このとき、プラズマリアクタ５の電極に対して、電源６から所定の電力を供給することにより、プラズマリアクタ５内にプラズマを発生させる。その結果、プラズマリアクタ５を通過する排ガス中の有害成分（すなわち、触媒ユニット４における未浄化の有害成分）が、プラズマ処理（除去）される。

その後、排ガスは、プラズマリアクタ５から排出され、排気管３の下流側端部から大気開放される。

上記したように、この排ガス浄化システム１では、排ガス中の有害成分が、触媒ユニット４およびプラズマリアクタ５によって浄化される。

触媒ユニット４およびプラズマリアクタ５により浄化される有害成分の割合は、特に制限されないが、排ガス浄化システム１の使用初期において、例えば、有害成分の総量１００％に対して、触媒ユニット４による浄化割合が、例えば、９０〜１００％であり、プラズマリアクタ５による浄化割合が、０〜１０％である。

換言すれば、触媒ユニット４およびプラズマリアクタ５によって浄化される有害成分の割合が上記範囲になるように、触媒ユニット４の浄化性能（すなわち、排ガス浄化触媒の種類および量など）と、プラズマリアクタ５の浄化性能（すなわち、プラズマ出力など）とが初期設計される。

また、触媒ユニット４による浄化割合と、プラズマリアクタによる浄化割合との総量は、例えば、９５％以上、好ましくは、９８％以上、より好ましくは、９９％以上であり、通常、１００％以下である。

３．排ガス浄化触媒の劣化
上記の排ガス浄化システム１を長期間使用すると、その使用に伴って排ガス浄化触媒が劣化し、排ガス浄化性能が低下する場合がある。一方、排ガス浄化触媒の劣化を見込んで過剰量の触媒を使用することも検討されるが、このような方法では、高コスト化を惹起するという不具合がある。

そこで、この排ガス浄化システム１では、以下に示すように、プラズマリアクタ５の出力を制御することにより、排ガス浄化性能の低下を抑制する。

図２は、図１に示される排ガス浄化システム１において実行される制御処理を示すフロー図である。

なお、図２に示す制御処理は、制御ユニット８のＲＯＭに記憶されており、その制御処理が制御ユニット８の中央処理装置（ＣＰＵ）により実行される。

以下、制御ユニット８において実行される制御処理について、図２を参照して詳述する。

この制御処理は、図２にスタートとして示されるように、内燃機関２の駆動開始をトリガーとして開始される。

内燃機関２の駆動が開始されると、上記したように、排ガスが触媒ユニット４およびプラズマリアクタ５を順次通過し、排ガス中の有害成分が浄化される。一方、このような排ガスの浄化によって、触媒ユニット４中の排ガス浄化触媒が劣化する。

そこで、この制御処理では、上記のように排ガスを浄化するとともに、触媒センサ７によって、排ガス浄化触媒の浄化性能を検知する（ステップＳ１）。

このとき、触媒センサ７で検知された浄化性能は、電気信号として制御ユニット８に入力される。

そして、この制御処理では、排ガス浄化触媒の浄化性能が、初期の浄化性能に対して劣化しているか否かが、制御ユニット８において判断される（ステップＳ２）。

排ガス浄化触媒の浄化性能が、初期の浄化性能に対して劣化していないと判断される場合（ステップＳ２：ＮＯ）、排ガス浄化触媒の浄化性能が、初期の浄化性能に対して劣化していると判断されるまで、上記の処理が繰り返される。

一方、排ガス浄化触媒の浄化性能が、初期の浄化性能に対して劣化していると判断される場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、その排ガス浄化触媒の劣化の度合いが、触媒センサ７の検知に基づいて、制御ユニット８により算出される（ステップＳ３）。

劣化の度合いの算出方法は、特に制限されず、公知の方法から適宜選択される。より具体的には、触媒センサ７の種類などにもよるが、例えば、触媒センサ７により検知される空燃比の応答性や、空燃比ピークが検知される回数などから、排ガス浄化触媒の劣化の度合いを算出することができる。

そして、この排ガス浄化システム１では、排ガス浄化触媒の劣化の度合いに応じた電力をプラズマリアクタ５に印加するように、電源６の出力を制御する（ステップＳ４）。

すなわち、排ガス浄化触媒の浄化性能が、排ガス浄化システム１の使用初期に比べて劣化している場合、触媒ユニット４で浄化されずに残存する有害成分（未浄化の有害成分）が増加する。

このような場合、プラズマリアクタ５の出力が排ガス浄化システム１の使用初期から一定であると（すなわち、プラズマリアクタ５による有害成分の浄化効率が一定であると）、未浄化の有害成分の増加分を処理することができない。

その結果、排気管３から大気開放される排ガスに、比較的多くの有害成分が含有されるという不具合を生じる。

そこで、この排ガス浄化システム１では、排ガス浄化触媒の劣化の度合いに応じて、電源６の出力を制御し、プラズマリアクタ５の出力を使用初期に比べて増大させる。

より具体的には、この排ガス浄化システム１では、予め、排ガス浄化触媒による浄化性能と、プラズマリアクタ５による浄化性能とをマッピングして、浄化性能マップを作成する。すなわち、まず、排ガス浄化触媒が初期の浄化性能であり、かつ、プラズマリアクタ５が初期の浄化性能（出力）である場合の、排ガスの総合浄化率を算出する。一方、排ガス浄化触媒が初期の浄化性能に対して劣化した場合、プラズマリアクタ５の浄化性能（出力）をどの程度増大させることで、排ガスの総合浄化率を維持できるかについて、算出する。

浄化性能は、例えば、浄化前の排ガスに含まれる有害成分量（１００％）から、浄化後の排ガスに含まれる有害成分量（例えば、１％）を差し引くことにより、有害成分の浄化率（例えば、９９％）として求めることができる。

すなわち、排ガス浄化触媒の浄化性能は、内燃機関２から排出され、触媒ユニット４に供給される排ガス（図１のＡ点における排ガス）中の有害成分量と、触媒ユニット４から排出される排ガス（図１のＢ点における排ガス）中の有害成分量とを測定し、触媒ユニット４において除去された有害成分の割合（浄化率）を算出することにより、求めることができる。

また、プラズマリアクタ５の浄化性能は、触媒ユニット４から排出され、プラズマリアクタ５に供給される排ガス（図１のＢ点における排ガス）中の有害成分量と、プラズマリアクタ５から排出される排ガス（図１のＣ点における排ガス）中の有害成分量とを測定し、プラズマリアクタ５において除去された有害成分の割合（浄化率）を算出することにより、求めることができる。

また、排ガスの総合浄化率は、内燃機関２から排出され、触媒ユニット４に供給される排ガス（図１のＡ点における排ガス）中の有害成分量と、プラズマリアクタ５から排出される排ガス（図１のＣ点における排ガス）中の有害成分量とを測定し、触媒ユニット４およびプラズマリアクタ５において除去された有害成分の総量の割合（浄化率）を算出することにより、求めることができる。

そして、このような排ガス浄化システム１では、排ガス浄化触媒の浄化率が低下した場合、排ガス浄化触媒の浄化率の低下分を補填するように、プラズマリアクタ５の出力を増大させる。

以下において、内燃機関２から排出され、排ガス浄化触媒およびプラズマリアクタ５により浄化される前の排ガス（図１のＡ点における排ガス）中の有害成分量を、有害成分量Ａとする。

また、触媒ユニット４から排出され、プラズマリアクタ５に供給される排ガス（図１のＢ点における排ガス）中の有害成分量を、有害成分量Ｂとする。

また、プラズマリアクタ５から排出される排ガス（図１のＣ点における排ガス）中の有害成分量を、有害成分量Ｃとする。

例えば、排ガス浄化システム１の設計段階において、排ガス浄化触媒が、有害成分量Ａの９９％を浄化できる性能となるように設計され、かつ、プラズマリアクタ５が、有害成分量Ａの０％を浄化する（すなわち、プラズマリアクタ５を作動させない）ように設計される場合について、説明する。

このとき、有害成分量Ｂは、有害成分量Ａに対して、１％である。また、有害成分量Ｃは、有害成分量Ａに対して、１％である。すなわち、排ガスの初期の総合浄化率は９９％である。

このような排ガス浄化システム１において、排ガス浄化触媒が劣化し、排ガス浄化触媒の浄化率が１％低下した場合（すなわち、排ガス浄化触媒の浄化率が９９％から９８％に低下した場合）には、有害成分量Ｂが、有害成分量Ａに対して、１％から２％に増加する。

このような場合、排ガス浄化触媒の浄化率の低下分を補填するように、プラズマリアクタ５の出力を増大させる。

より具体的には、排ガス浄化触媒の劣化により、有害成分量Ｂが有害成分量Ａに対して２％になった場合、プラズマリアクタ５を作動させ、その出力を調整することにより、プラズマリアクタ５の浄化率を０％から５０％に上昇させる。これにより、有害成分量Ｂ（有害成分量Ａに対して２％）のうちの５０％、つまり、有害成分量Ａに対して１％を、プラズマリアクタ５において除去することができる。

このように、有害成分量Ａの１％を浄化する出力でプラズマリアクタ５を作動させることにより、有害成分量Ｃが、有害成分量Ａに対して１％に低減される。その結果、排ガスの総合浄化率を、初期の総合浄化率（９９％）に維持することができる。

また、例えば、排ガス浄化システム１の設計段階において、排ガス浄化触媒が、有害成分量Ａの９５％を浄化できる性能となるように設計され、かつ、プラズマリアクタ５が、有害成分量Ａの４％を浄化するように作動される場合について、説明する。

このとき、有害成分量Ｂは、有害成分量Ａに対して、５％である。また、有害成分量Ｃは、有害成分量Ａに対して、１％である。すなわち、排ガスの初期の総合浄化率は９９％である。

また、プラズマリアクタ５は、有害成分量Ｂ（有害成分量Ａに対して５％）を、有害成分量Ｃ（有害成分量Ａに対して１％）に低減している。このとき、プラズマリアクタ５の浄化率は、８０％である。

このような排ガス浄化システム１において、排ガス浄化触媒が劣化し、排ガス浄化触媒の浄化率が１％低下した場合（すなわち、排ガス浄化触媒の浄化率が９５％から９４％に低下した場合）には、有害成分量Ｂが、有害成分量Ａに対して、５％から６％に増加する。

このような場合、上記と同様に、排ガス浄化触媒の浄化率の低下分を補填するように、プラズマリアクタ５の出力を増大させる。

より具体的には、排ガス浄化触媒の劣化により、有害成分量Ｂが有害成分量Ａに対して６％になった場合、プラズマリアクタ５を作動させ、その出力を調整することにより、プラズマリアクタ５の浄化率を８０％から８３％に上昇させる。これにより、有害成分量Ｂ（有害成分量Ａに対して６％）のうちの８３％、つまり、有害成分量Ａに対して５％を、プラズマリアクタ５において除去することができる。

このように、有害成分量Ａの５％を浄化するようにプラズマリアクタ５を作動させることにより、有害成分量Ｃが、有害成分量Ａに対して１％に低減される。その結果、排ガスの総合浄化率を、初期の総合浄化率（９９％）に維持することができる。

また、例えば、排ガス浄化システム１の設計段階において、排ガス浄化触媒が、有害成分量Ａの９０％を浄化できる性能となるように設計され、かつ、プラズマリアクタ５が、有害成分量Ａの９％を浄化するように作動される場合について、説明する。

このとき、有害成分量Ｂは、有害成分量Ａに対して、１０％である。また、有害成分量Ｃは、有害成分量Ａに対して、１％である。すなわち、排ガスの初期の総合浄化率は９９％である。

また、プラズマリアクタ５は、有害成分量Ｂ（有害成分量Ａに対して１０％）を、有害成分量Ｃ（有害成分量Ａに対して１％）に低減している。このとき、プラズマリアクタ５の浄化率は、９０％である。

このような排ガス浄化システム１において、排ガス浄化触媒が劣化し、排ガス浄化触媒の浄化率が１％低下した場合（すなわち、排ガス浄化触媒の浄化率が９０％から８９％に低下した場合）には、有害成分量Ｂが、有害成分量Ａに対して、１０％から１１％に増加する。

このような場合、上記と同様に、排ガス浄化触媒の浄化率の低下分を補填するように、プラズマリアクタ５の出力を増大させる。

より具体的には、排ガス浄化触媒の劣化により、有害成分量Ｂが有害成分量Ａに対して１１％に増加した場合、プラズマリアクタ５を作動させ、その出力を調整することにより、プラズマリアクタ５の浄化率を９１％に上昇させる。これにより、有害成分量Ｂ（有害成分量Ａに対して１１％）のうちの９１％、つまり、有害成分量Ａに対して１０％を、プラズマリアクタ５において除去することができる。

このように、有害成分量Ａの１０％を浄化するようにプラズマリアクタ５を作動させることにより、有害成分量Ｃが、有害成分量Ａに対して１％に低減される。その結果、排ガスの総合浄化率を、初期の総合浄化率（９９％）に維持することができる。

以上のように、排ガス浄化触媒の浄化率が低下した場合（例えば、有害成分量Ａの１％分が低下した場合）、プラズマリアクタ５の出力の増大により、排ガス浄化触媒の浄化率の低下分（例えば、有害成分量Ａの１％）を、プラズマリアクタ５の浄化率に加算することができ、初期の総合浄化率を維持することができる。

なお、プラズマリアクタ５における出力と、プラズマリアクタ５の浄化率とは、所定の相関式の関係にあることから、プラズマリアクタ５の浄化率を決定すれば、プラズマリアクタ５の出力も決定される。

上記のような計算に基づいて、排ガス浄化触媒の劣化の度合い（浄化率の低下の度合い）と、プラズマリアクタ５の出力と、排ガスの総合浄化率との関係をマッピングし、浄化性能マップを得る。なお、得られた浄化性能マップは、制御ユニット８のＲＯＭに格納される。

そして、上記した制御処理によって、排ガス浄化触媒が劣化していると判断され、その劣化の度合いが算出された場合、制御ユニット８では、上記の浄化性能マップに基づいて、排ガス浄化触媒の劣化の度合いに応じて、初期の排ガスの総浄化率を維持できるように、電源６の出力を制御する（ステップＳ４）。

これにより、プラズマリアクタ５の出力を増大して、触媒ユニット４において浄化されずに残存する有害成分（未浄化の有害成分）を、より高い出力のプラズマリアクタ５において浄化する。

これにより、排ガス浄化触媒の劣化によって、未浄化の有害成分が増加した場合にも、その有害成分の増加分を、高出力のプラズマリアクタ５により浄化することができる。

その結果、排気管３から大気開放される排ガス中の有害成分を低減することができる。

なお、上記の制御処理は、内燃機関２が停止されるまで繰り返される（リターン）。

４．作用・効果
上記したように、排ガス浄化システム１では、触媒センサ７により排ガス浄化触媒における浄化性能を検知し、その検知に基づいて、排ガス浄化触媒の劣化の度合いを算出し、排ガス浄化触媒の劣化の度合いに応じた電力を、電源６からプラズマリアクタ５に印加する。

このような排ガス浄化システム１によれば、排ガス浄化触媒が劣化しても、排ガス浄化性能が低下した度合いに応じて、より高い出力でプラズマリアクタ５を作動させることができ、プラズマリアクタ５による排ガス浄化性能を向上させることができる。

その結果、上記の排ガス浄化システム１によれば、低コストで排ガス浄化性能の低下を抑制できる。

１ 排ガス浄化システム
２ 内燃機関
３ 排気管
４ 触媒ユニット
５ プラズマリアクタ
６ 電源
７ 触媒センサ
８ 制御ユニット

Claims (1)

1. 内燃機関において生じる排ガスが通過可能な排気管と、
   前記排気管に介在される排ガス浄化触媒と、
   前記排ガス浄化触媒よりも下流側において前記排気管に介在されるプラズマリアクタと、
   前記プラズマリアクタに電力を印加する電源と、
   前記排ガス浄化触媒における浄化性能を検知する触媒センサと、
   前記電源の出力を制御する制御ユニットとを備え、
   前記制御ユニットは、
   前記触媒センサの検知に基づいて、前記排ガス浄化触媒の劣化の度合いを算出し、
   前記排ガス浄化触媒の劣化の度合いに応じた電力を前記プラズマリアクタに印加するように、前記電源の出力を制御する
   ことを特徴とする、排ガス浄化システム。
   

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