JP6923470B2 - プラズマ発生装置 及びその制御方法。 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置に係り、更に詳細には、内燃機関の排気経路内に設けられた放電電極間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。

自動車等において使用される内燃機関から排出される排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの有害物質が含まれており、これら有害物質の排出を低減させる必要がある。

上記有害物質は排気浄化触媒により浄化されるが、上記排気浄化触媒の上流側でプラズマを発生させ、生成したラジカル種により排気ガスを活性化して浄化効率を向上させる方法が知られている。

特許文献１の特開２００１−２９１０９１号公報には、プラズマインジェクタによりプラズマ改質してもたらされた活性種を、排気浄化触媒の上流側に添加する排気浄化装置が開示されている。

そして、結露検知手段により上記プラズマインジェクタの結露を検知したときは、空気をプラズマ改質部に流通させることや、ヒータで加熱することで水分を除去し、漏電によるプラズマインジェクタの故障や、漏電による消費電力の増加を防止する旨が記載されている。

特開２００１−２９１０９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の結露検知手段は、漏電の有無を電流計で監視することや、湿度計により湿度を監視することで結露による漏電の可能性の有無を判定しており、プラズマ改質部が実際に濡れているか否かを判定する手段ではない。

したがって、プラズマ改質部が現実に濡れていたとしても、監視時に漏電していない場合や監視時に湿度が低下している場合は、漏電の可能性なしと判定されてしまうため、内燃機関始動後の振動などによって水滴が流下し短絡する可能性の有無は検知できない。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、放電電極自体が、濡れているか否かを直接検知できるプラズマ発生装置を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、放電電極にプラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の電力を供給して僅かに電流を流し、上記放電電極の昇温速度を測定することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のプラズマ発生装置は、内燃機関の排気経路内に設けられた少なくとも１対の放電電極と、上記放電電極に電力を供給する電力供給装置と、を備えて、放電電極間にプラズマを発生させる。
そして、上記電力供給装置が、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の第１の電力を供給し、上記第１の電力の供給開始時から所定時間経過後までの上記放電電極の昇温速度と、予め設定された基準昇温速度とを比較して、
上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度よりも遅いときは、第１の電力を供給し続け、上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度以上であるときは、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値の第２の電力を供給することを特徴とする。

また、本発明のプラズマ発生装置の制御方法は、内燃機関の排気経路内に設けられた少なくとも１対の放電電極と、該放電電極に電力を供給する電力供給装置とを備えて、放電電極間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置の制御方法である。
そして、上記内燃機関の始動前に、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の第１の電力を供給するステップと、上記第１の電力の供給開始から所定時間経過後に、上記第１の電力の供給開始から所定時間経過後までの上記放電電極の昇温速度と、予め設定された基準昇温速度とを比較するステップとを有し、
上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度よりも遅いときは、第１の電力を供給し続け、上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度以上であるときは、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値の第２の電力を供給することを特徴とする。

本発明によれば、プラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の電力を放電電極に供給して僅かに電流を流し、上記放電電極の昇温速度を測定することとしたため、プラズマを発生させる放電電極自体が、濡れているか否かを直接検知できるプラズマ発生装置を提供することができる。

本発明のプラズマ発生装置を備える内燃機関の一例を示す概略図である。 放電電極の昇温状態を示す温度−時間昇温曲線である。 プラズマ発生装置の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

＜プラズマ発生装置＞
本発明のプラズマ発生装置について詳細に説明する。
上記プラズマ発生装置１は、図１に示すように、内燃機関４の排気経路２内に設けられた少なくとも１対の放電電極１２と、上記放電電極１２に電力を供給する電力供給装置１１とを備える。

上記１対の放電電極１２は、貫通孔を有し表面が誘電体で覆われた平板電極が、一定の間隔を開けて放電面が排気ガスの流通方向に対して垂直方向になるように平行に配置されており、放電開始電圧以上の交流電圧をかけることで誘電体バリア放電によりプラズマを発生させる。

上記放電電極が誘電体で覆われているため、通常は上記放電電極間に大電流が流れることはないが、上記放電電極が結露水などで濡れ、放電電極間が短絡すると大電流が流れて故障してしまう。

本発明のプラズマ発生装置１は、予め放電電極の基準昇温曲線が設定されており、上記基準昇温曲線は、乾燥し濡れていない状態の放電電極に上記第１の電力を一定供給したときの昇温速度に基いて設定されている。

上記電力供給装置１１は、内燃機関の始動前に上記放電電極１２にプラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の第１の電力を供給する。すると、上記放電電極間に電流が僅かに流れ、上記放電電極１２の内部抵抗によって放電電極１２の温度が上昇する。
上記第１の電力は、放電電極間の距離にもよるが１ｋＶ〜３ｋＶ（ピーク値）程度である。

本発明のプラズマ発生装置１は、上記第１の電力を一定で供給し上記放電電極の温度を測定して、放電電極の温度の昇温速度と、予め設定した上記基準昇温曲線の傾き、すなわち、基準昇温速度とを比較することで、放電電極自体が濡れているか否かを検知する。
図２に、乾燥状態の放電電極の昇温曲線を点線で、濡れた放電電極の昇温曲線を実線で示す。

つまり、濡れている放電電極は、乾燥状態の放電電極よりも熱容量が大きく、また、水の気化熱が奪われて、図２中、実線で示すように昇温速度が遅くなる。
したがって、上記第１の電力の供給開始時から所定時間経過後までの放電電極の時昇温速度が、基準昇温速度よりも遅いか否かにより、放電電極の濡れを直接検知できる。

そして、放電電極が濡れていることを検知したときは、上記電力供給装置が上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値の第２の電力を供給せずに、上記第１の電力を供給し続け、放電電極の温度を上昇させる。
また、放電電極が濡れていないことを検知したときは、上記電力供給装置が上記放電電極に上記第２の電力を供給してプラズマを発生させる。

したがって、未だ短絡していない状態で短絡する可能性があるとき、すなわち、放電電極が濡れているときにはプラズマが発生する電圧値の第２の電力を供給しないため、放電電極間に大電流が流れることによる故障を防止できる。

加えて、放電電極が濡れていることを検知したときは、上記第１の電力を供給し続けるため、ヒータなどの乾燥装置を新たに加えることなく、放電電極を乾燥させることができる。

上記放電電極の温度を測定する温度センサとしては、例えば、赤外線放射温度計、熱電対などを挙げることができる。

上記プラズマ発生装置は、上記放電電極の温度を逐次測定し、微少時間△Ｔ毎における上記放電電極の昇温速度と、上記昇温速度の測定時に対応する箇所の微少時間△Ｔ毎における上記基準昇温曲線の傾き、すなわち、基準昇温速度とを逐次比較して、放電電極の濡れを検知することが好ましい。なお、微少時間△Ｔは予め実験等によって設定した、放電電極が濡れている場合と乾燥している場合とで温度上昇速度に差が発生する程度の所定の期間である。

放電電極が濡れていると、上記のように昇温速度が基準昇温速度よりも遅くなるが、放電電極が乾燥した時点から、放電電極が上記基準昇温速度で昇温するため、微少時間△Ｔ毎における放電電極の昇温速度を逐次測定することで放電電極が乾燥したことを早期に検出できる。

したがって、放電電極が確実に乾燥する温度、例えば、放電電極の温度が１００℃まで上昇する前に、放電電極が基準昇温速度で昇温し始めた時点で、上記第２の電力を供給してプラズマを発生させることができ、内燃機関の始動性が向上する。

また、上記放電電極の温度が１００℃以上であるとき、上記第２の電力を供給することが好ましい。放電電極の温度が１００℃以上であれば、放電電極が温度上昇する過程において放電電極表面の水分はほとんど蒸発して乾燥していると考えられるため、上記第２の電力を供給しプラズマを発生させることで内燃機関の始動性が向上する。
なお、本実施例においては上述の通り、放電電極の昇温速度が基準昇温速度以上でなくとも放電電極の温度が１００℃以上となった場合には第２の電力の供給を開始する事としたが、第２の電力の供給を開始する際の放電電極の温度はこれに限定されない。例えば放電電極の昇温速度が遅い場合や水分が少ない場合は放電電極の温度が１００℃以上となる前に、放電電極が温度上昇する過程において放電電極表面の水分はほとんど蒸発していると考えられる。従って、第２の電力の供給を開始する放電電極の温度は予め実験等によって、放電電極表面が充分に乾燥していると推定できる所定の温度で有れば良く、上記の温度（１００℃）に限定されない。

上記基準昇温速度は、上記第１の電力の供給開始時の上記放電電極の温度や、上記第１の電力供給開始時からの経過時間に基づいて補正することが好ましい。

上記放電電極の昇温速度は、放電電極に供給される熱量だけでなく、放電電極から雰囲気中に放出する熱量によっても変化する。
排気経路内の雰囲気温度を上記第１の電力の供給開始時の放電電極の温度から推測し、また、上記第１の電力供給開始時からの経過時間から排気経路内の雰囲気温度と上記放電電極との温度差を推測して、上記基準昇温速度を補正することで、放電電極が乾燥したことを早期に検出できる。

上記プラズマ発生装置は、上記放電電極の温度が、上記第１の電力の供給開始時から所定時間経過しても上昇しないとき、上記第１の電力の供給を停止することが好ましい。

上記第１の電力を供給しても上記放電電極が昇温しないときは、なんらかの異常が発生していると考えられ、上記第１の電力の供給を停止することでさらなる故障の発生を防止できる。

＜制御方法＞
次に、上記プラズマ発生装置の制御方法について説明する。
上記プラズマ発生装置の制御ルーチンのフローチャートの一例を図３に示す。
上記プラズマ発生装置は、内燃機関の始動に先立ち、内燃機関制御装置からプラズマ発生命令を受け取ると、内燃機関始動禁止フラグを立て、放電電極の温度を測定する。
そして、上記放電電極にプラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の第１の電力の供給を開始するステップＳ１０３で第１の電力の供給を開始する。

所定時間Ｔ１が経過した後、例えば、第１の電力供給開始時Ｔ０から５秒経過後に、上記放電電極の温度を測定して昇温速度を算出する。そして、放電電極の昇温速度が０以下であるときは、第１の電力供給を停止し、異常フラグを立てて終了する。

放電電極の昇温速度が０を超えているときは、上記放電電極の昇温速度と、予め設定された基準昇温速度とを比較するステップＳ１０７で、Ｔ１までの上記放電電極の昇温速度と基準昇温速度とを比較する。

なお、第１の電力供給開始時Ｔ０で測定した放電電極の温度をＴ１経過後の放電電極の温度で置き換え、放電電極の温度を繰り返し測定して放電電極の昇温過程における途中の微少時間△Ｔにおける放電電極の昇温速度を測定することもできる。

放電電極の昇温過程における途中の微少時間△Ｔでの放電電極の昇温速度と、基準昇温曲線の上記昇温速度の測定時に対応する箇所の昇温速度を比較することで、早期に第２の電力を供給できる。

上記放電電極の昇温速度が、上記基準昇温速度よりも遅いときは、第１の電力を供給し続け、上記基準昇温速度以上であるときは、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値の第２の電力を供給し、内燃機関始動禁止フラグを倒し、内燃機関の始動を許可して終了する。

そして、内燃機関の制御装置は、上記プラズマ発生装置が立てるフラグに基いて内燃機関全体の制御を行う。

なお、本実施形態においては上述の通り微少時間△Ｔ毎の放電電極の昇温速度と基準昇温速度とを比較して、微少時間△Ｔにおける放電電極の昇温速度が基準昇温速度以上となった場合に放電電極の乾燥を判定したがこれに限定されない。例えば図２におけるT１時点を起点し、T１時点から現在までの時間を△Ｔとして、△Ｔ間の放電電極の実際の昇温速度と基準昇温速度とを比較して放電電極の乾燥を判定しても良く、放電電極の昇温速度を算出する時間間隔は適宜変更可能な時間である。但し、放電電極の乾燥を早期に判定するためには上述の実施例に記載のように微少時間△Ｔ毎に放電電極の昇温速度と基準昇温速度とを比較して、放電電極の乾燥を判定する事が好ましい。

１ プラズマ発生装置
１１ 電力供給装置
１２ 放電電極
１３ 温度センサ
２ 排気経路
３ 排ガス浄化触媒
４ 内燃機関
５ 内燃機関制御装置

Claims (8)

1. 内燃機関の排気経路内に設けられた少なくとも１対の放電電極と、
   上記放電電極に電力を供給する電力供給装置と、を備えて前記放電電極間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
   上記内燃機関の始動前に、
   上記電力供給装置が、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の第１の電力を供給し、
   上記第１の電力の供給開始時から所定時間経過後までの上記放電電極の昇温速度と、予め設定された基準昇温速度とを比較し、
   上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度よりも遅いときは、第１の電力を供給し続け、
   上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度以上であるときは、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値の第２の電力を供給することを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 上記放電電極の温度を逐次測定し、
   予め定めた所定期間における上記放電電極の昇温速度と、上記基準昇温速度とを比較することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 上記放電電極の温度が予め定めた所定温度以上であるとき、上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度未満であっても上記第２の電力を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。
4. 上記基準昇温速度を、
   上記第１の電力の供給開始時の上記放電電極の温度、及び／又は、上記第１の電力供給開始時からの経過時間に基づいて補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のプラズマ発生装置。
5. 上記放電電極の温度が、上記第１の電力の供給開始時から所定時間経過しても上昇しないとき、上記第１の電力の供給を停止することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のプラズマ発生装置。
6. 上記放電電極の放電面が、排気ガスの流通方向に対して垂直方向に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のプラズマ発生装置。
7. 内燃機関の排気経路内に設けられた少なくとも１対の放電電極と、上記放電電極に電力を供給する電力供給装置とを備えて、前記放電電極間にプラズマ発生装置の制御方法であって、
   上記内燃機関の始動前に、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値よりも低い電圧値の第１の電力を供給するステップと、
   上記第１の電力の供給開始から所定時間経過後までの上記放電電極の昇温速度と、予め設定された基準昇温速度とを比較するステップとを有し、
   上記第１の電力の供給開始から所定時間経過後の上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度よりも遅いときは、第１の電力を供給し続け、
   上記放電電極の昇温速度が上記基準昇温速度以上であるときは、上記放電電極間にプラズマが発生する電圧値の第２の電力を供給することを特徴とするプラズマ発生装置の制御方法。
8. 上記放電電極の温度が、上記第１の電力の供給開始時から所定時間経過しても上昇しないとき、上記第１の電力の供給を停止することを特徴とする請求項７に記載のプラズマ発生装置の制御方法。

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