JP6957125B2 - プラズマリアクタの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマリアクタの制御装置に関する。

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。

プラズマリアクタの電源装置には、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、フライバック型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、フライバック型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２００７−７５７７８号公報 特開２０１０−２０３４０１号公報

電極パネルの電極には、電極パネルの積層方向の一方側から順に、プラス端子およびマイナス端子が交互に接続されている。プラス端子およびマイナス端子は、それぞれ電源装置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。

たとえば、水濡れなどにより、プラス端子とマイナス端子との間の絶縁抵抗が一時的に低下した場合、プラス端子とマイナス端子との間に電流が流れる漏電状態となる。また、プラス端子と電極パネルを収容する筐体との間の絶縁抵抗が一時的に低下した場合にも同様に、プラス端子と筐体との間に電流が流れる漏電状態となる。漏電状態では、電源装置からプラズマリアクタに印加される電圧および電流の値が変動するため、漏電状態を早期に検出して、それに対処しなければ、ＰＭ除去性能（ＰＭ除去率）の低下や電源が破損するおそれがある。

本発明の目的は、プラズマリアクタにおける漏電などの異常が検出された場合に、異常の解消を図ることができながら、ＰＭの除去性能の低下の抑制を図ることができる、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、本発明に係る制御装置は、フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの一次電圧の印加／停止が周期的に繰り返されることにより、フライバック型昇圧トランスの二次コイルにパルス的に発生する二次電圧が印加され、その印加により、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を発生させるプラズマリアクタの制御装置であって、プラズマリアクタにおける異常を検出する異常検出手段と、異常検出手段によって異常が検出された場合に、一次電圧の１回の印加時間を段階的に低減させ、その低減に伴って、一次電圧の印加／停止の周波数を段階的に増加させる電源制御手段とを含む。

この構成によれば、プラズマリアクタにおける異常が検出されると、フライバック型昇圧トランスの一次コイルに印加される一次電圧（パルス印加電圧）の１回の印加時間が段階的に低減される。一次電圧の印加時間の低減により、フライバック型昇圧トランスの二次コイルに発生する二次電圧を低下させることができ、給電端子間に電流が流れる漏電状態などの異常の解消を図ることができる。また、印加時間の段階的な低減に伴って、一次電圧の印加／停止の周波数が段階的に上げられる。これにより、プラズマリアクタに供給される電力の低減を抑えることができ、ＰＭ除去性能（ＰＭ除去率）の低下の抑制を図ることができる。

電源制御手段は、一次電圧の１回の印加時間がプラズマリアクタにおける放電が不能となる時間にまで低減した場合、一次電圧の印加を停止させて、二次電圧の出力を停止させてもよい。

異常検出手段は、プラズマリアクタに印加される電流の電流値または電流積算値を一定周期で取得し、その取得した値が所定範囲から外れた回数をカウントするカウント手段と、所定期間にカウント手段によってカウントされた回数が閾値以上である場合、プラズマリアクタに異常が発生していると判定する判定手段とを含む構成であってもよい。

この構成では、プラズマリアクタに印加される電流の電流値または電流積算値が一定周期で取得される。そして、その取得した値が所定範囲から外れた回数がカウントされ、所定期間にカウントされた回数が閾値以上である場合、プラズマリアクタに異常が発生していると判定される。

たとえば、電極パネルに接続された給電端子（プラス端子、マイナス端子）間の絶縁抵抗が一時的に低下して、給電端子間に電流が流れる漏電状態になると、プラズマリアクタに印加される電流が変動する。このときの電流の移動平均値を求め、その移動平均値が所定範囲から外れたことに応じて、プラズマリアクタに異常が発生していると判定する手法では、移動平均値が所定範囲から外れるまでに時間がかかり、異常の検出が遅く、場合によっては異常を検出することができない。これに対し、漏電状態で変動する電流の瞬時値である電流値または電流積算値が所定範囲から外れた回数、言い換えれば、電流値または電流積算値が所定範囲の上限値または下限値を所定範囲外に超えた回数が閾値以上である場合に、プラズマリアクタに異常が発生していると判定する手法では、異常を早期に検出することができる。

本発明によれば、プラズマリアクタにおける漏電などの異常が検出された場合に、プラズマリアクタに供給される電力の低減を抑えることができ、ＰＭ除去性能の低下の抑制を図ることができる。

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。 漏電検出処理の流れを示すフローチャートである。 リアクタ印加電流の電流値およびその移動平均値の変化を示すグラフである。 漏電解消制御の流れを示すフローチャートである。 フライバック型昇圧トランスの一次コイルに印加されるパルス印加電圧（一次電圧）、漏電検出フラグの状態、プラズマリアクタ用電源装置からプラズマリアクタに印加されるリアクタ印加電圧（二次電圧）および周波数指示値の時間変化の概略を示す図である。

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、車両のエンジン（図示せず）から排出される排ガスからＰＭを除去するために、たとえば、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は、ケース（ボディ）３と、ケース３内に収容された複数の電極パネル４とを備えている。

ケース３は、金属製であり、管状（筒状）に形成されている。ケース３の一方の開口は、排ガスを流入させる流入口であり、他方の開口は、排ガスを流出させる流出口である。エンジンから排気管２に排出される排ガスは、排気管２を流通する途中で、流入口からケース３内に流入して、ケース３内を流通し、流出口から流出する。

電極パネル４は、誘電体からなる平板状の誘電体平板５に電極６が厚さ方向に挟み込まれた構成を有している。誘電体平板５の材料である誘電体としては、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）を例示することができる。電極６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６には、給電端子が設けられており、給電端子は、誘電体平板５の外部に引き出されている。

複数の電極パネル４は、たとえば、ケース３の中心線と直交する方向に間隔を空けて、互いに平行をなして（それぞれケース３の中心線方向に延びるように）配置されている。各電極パネル４の電極６は、積層方向と直交する平面に沿う方向で同じ位置に配置され、それらの周縁は、積層方向に互いに対向している（積層方向に重なり合っている）。

電極パネル４の電極６の給電端子には、電極パネル４の積層方向の一方側から順に、プラス配線７およびマイナス配線８が交互に接続されている。プラス配線７およびマイナス配線８は、それぞれプラズマリアクタ用電源装置９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。

積層方向に互いに隣り合う電極パネル４の電極６間には、プラズマリアクタ用電源装置９から出力されるパルス波状の高電圧が印加される。この高電圧が電極６間に印加されることにより、電極パネル４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。一方、電極パネル４間には、ケース３の流入口側の端部から排ガスが流入し、その排ガスが流出口側の端部に向けて流通する。電極パネル４間におけるプラズマの発生によって、電極パネル４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９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９は、フライバック型昇圧トランス１１、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２、ゲートドライブ回路１３および制御装置１４を備えている。

フライバック型昇圧トランス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。一次コイル２１の他端は、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２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、それぞれプラス端子およびマイナス端子を介して、プラズマリアクタ１において積層方向に互いに隣り合う電極パネル４の電極６に接続されている。

通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２は、たとえば、エンハンスメント型のｎＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインがフライバック型昇圧トランス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。

配線２３には、ヒューズ２４を介して、直流電源であるバッテリ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、公称電圧が１２Ｖの鉛電池である。

ゲートドライブ回路１３は、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートにパルス電圧（ゲート電圧）を印加する回路である。

制御装置１４は、ＣＰＵおよびメモリ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。メモリには、たとえば、ＲＯＭおよびＲＡＭのほか、フラッシュメモリなどの書換可能な不揮発性メモリが含まれる。

制御装置１４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からのパルス電圧（ゲート電圧）の出力／停止を切り替える。制御装置１４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から出力されるパルス電圧が立ち上がり、そのパルス電圧が通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに印加されることにより、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２がオンになる。制御装置１４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から出力されるパルス電圧が立ち下がり、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートへのパルス電圧の印加がなくなることにより、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２がオフになる。

通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２がオンになると、フライバック型昇圧トランス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ＭＯＳＦＥＴ１２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、フライバック型昇圧トランス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ＭＯＳＦＥＴ１２のオン／オフが繰り返されることにより、一次コイル２１への一次電圧（パルス印加電圧）の印加／停止が周期的に繰り返されて、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（リアクタ印加電圧）がプラズマリアクタ１の電極６間に印加される。

制御装置１４には、電流センサ３１が接続されている。電流センサ３１は、プラズマリアクタ用電源装置９からプラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電流を検出し、その電流値に応じた検出信号を出力する。

制御装置１４は、電流センサ３１が出力する検出信号から、プラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電流の立ち上がり後の最初のピーク値を取得する。一方、制御装置１４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。制御装置１４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、ＰＭ量と目標ピーク値との関係が２次元マップの形態で記憶されている。制御装置１４は、ＰＭ量と目標ピーク値との関係に基づいて、ＰＭ量に応じた目標ピーク値を設定し、電流センサ３１が出力する検出信号から取得したピーク値が目標ピーク値と一致するように、ゲートドライブ回路１３を制御する。

＜漏電検出処理＞
図３は、漏電検出処理の流れを示すフローチャートである。図４は、リアクタ印加電流の電流値およびその移動平均値の変化を示すグラフである。

プラズマリアクタ１の作動中、制御装置１４は、プラズマリアクタ１の電極６の給電端子（プラス端子、マイナス端子）間に電流が流れる漏電を検出するため、図３に示される漏電検出処理を一定周期で繰り返し実行する。

漏電検出処理では、電流センサ３１が出力する検出信号から、プラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電流の電流値が取得される。そして、その電流値が所定の判定値以上であるか否かが判定される（ステップＳ１）。判定値は、図４に示される上限値であり、電流値が判定値（上限値）以上となるのは、電極６の給電端子間での漏電などの異常放電が生じた場合である。

電流値が判定値以上である場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、制御装置１４のメモリに、今回の判定結果が「異常判定」と記憶される（ステップＳ２）。

電流値が判定値未満である場合（ステップＳ１のＮＯ）、制御装置１４のメモリに今回の判定結果が「正常判定」と記憶される（ステップＳ３）。

そして、「異常判定」または「正常判定」の判定結果がメモリに記憶された後、今回の判定結果を含めた過去の所定回数の判定結果がメモリから読み出される。そして、その所定回数の判定結果中の「異常判定」の判定結果の回数が閾値以上であるか否かが判定さあれる（ステップＳ４）。

「異常判定」の判定結果の回数が閾値以上である場合（ステップＳ４のＹＥＳ）、制御装置１４のメモリ（ＲＡＭ）に設けられた漏電検出フラグに１がセットされて（ステップＳ５）、漏電検出処理が終了される。

「異常判定」の判定結果の回数が閾値未満である場合（ステップＳ４のＮＯ）、漏電検出フラグが０にリセットされて（ステップＳ６）、漏電検出処理が終了される。

漏電検出フラグは、プラズマリアクタ１における漏電が検出されたか否かを表すフラグである。漏電検出フラグに１がセットされた状態は、プラズマリアクタ１における漏電が検出されていることを表し、漏電検出フラグが０にリセットされた状態は、プラズマリアクタ１における漏電が検出されていないことを表す。

＜漏電解消制御＞
図５は、漏電解消制御の流れを示すフローチャートである。図６は、フライバック型昇圧トランス１１の一次コイル２１に印加されるパルス印加電圧（一次電圧）、漏電検出フラグの状態、プラズマリアクタ用電源装置９からプラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電圧（二次電圧）および周波数指示値の時間変化の概略を示す図である。

漏電検出フラグの状態が０から１に切り替わると、制御装置１４により、図５に示される漏電解消制御が実行される。

漏電解消制御では、ゲートドライブ回路１３が制御されて、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに印加されるパルス電圧の印加時間、つまり通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２のオン時間が短くされることにより、フライバック型昇圧トランス１１の一次コイル２１に印加されるパルス印加電圧の１回の印加時間が低減される（ステップＳ１１）。

この印加時間の低減により、フライバック型昇圧トランス１１の二次コイル２２に発生する二次電圧が低下し、図６に示されるように、プラズマリアクタ用電源装置９からプラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電圧が低減する。

次いで、低減後の印加時間がプラズマリアクタ１における放電が可能な印加時間であるか否かが判断される（ステップＳ１２）。

低減後の印加時間が放電可能な印加時間である場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）、一次コイル２１に印加されるパルス印加電圧の周波数、つまり通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２のオン／オフ周波数が増加される（ステップＳ１３）。周波数の増分は、パルス印加電圧の印加時間の低減によりプラズマリアクタ１に供給される電力（エネルギ）の減少分、またはＰＭ除去性能低下分が補われるように設定される。

その後、漏電検出フラグの状態が調べられる（ステップＳ１４）。図３に示される漏電検出処理は、一定周期で繰り返し実行されているので、漏電解消処理の実行中に、パルス印加電圧の印加時間の低減の結果、プラズマリアクタ１における漏電状態が解消されて、漏電検出フラグの状態が１から０に切り替わる場合がある。

漏電検出フラグに１がセットされた状態のままである場合（ステップＳ１４のＹＥＳ）、パルス印加電圧の１回の印加時間が低減されて（ステップＳ１１）、前述のステップＳ１１以降の処理が再び実行される。

ステップＳ１１〜Ｓ１４の処理が繰り返されることにより、パルス印加電圧の１回の印加時間が段階的に低減され、パルス印加電圧の周波数が段階的に増加される。プラズマリアクタ１における漏電状態が解消されて、漏電検出フラグが０にリセットされると（ステップＳ１４のＮＯ）、漏電解消制御が終了される。

なお、漏電解消制御の終了後も、パルス印加電圧の印加時間が低減され、周波数が増加されたままにされる。漏電解消制御が実行された場合、たとえば、車両のメータパネルに配設されている警告灯が点灯されて、ユーザに車両の点検・修理が促される。

また、パルス印加電圧の印加時間が段階的に低減されて、低減後の印加時間が放電可能な印加時間ではないと判断された場合には（ステップＳ１２のＮＯ）、一時的な漏電ではない放電異常が発生しているとの判定の下、フライバック型昇圧トランス１１の一次コイル２１へのパルス印加電圧の印加が停止されて、プラズマリアクタ１における放電が停止される。

＜作用効果＞
以上のように、プラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電流の電流値が一定周期で取得される。この取得した値が所定範囲の上限値以上である場合、判定結果が「異常判定」とされる。そして、今回を含めた過去の所定回数の判定において、「異常判定」と判定された回数が閾値以上である場合、プラズマリアクタ１に漏電が発生していると判定される。

たとえば、リアクタ印加電流の移動平均値を求め、その移動平均値が所定範囲から外れたことに応じて、プラズマリアクタ１に漏電が発生していると判定する手法が考えられる。この手法では、図４に示されるように、移動平均値の上昇が緩やかであり、移動平均値が所定範囲から外れるまでに時間がかかり、漏電の検出が遅く、場合によっては漏電を検出できないおそれがある。これに対し、前述の手法では、異常を早期に検出することができる。

そして、漏電が検出された場合には、フライバック型昇圧トランス１１の一次コイル２１に印加されるパルス印加電圧（一次電圧）の１回の印加時間が段階的に低減される。一次電圧の印加時間の低減により、フライバック型昇圧トランス１１の二次コイル２２に発生する二次電圧を低下させることができ、電極６に接続された給電端子間に電流が流れる漏電状態などの異常の解消を図ることができる。また、印加時間の段階的な低減に伴って、パルス印加電圧の印加／停止の周波数が段階的に上げられる。これにより、プラズマリアクタ１に供給される電力の低減を抑えることができ、ＰＭ除去性能（ＰＭ除去率）の低下の抑制を図ることができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施の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、前述の漏電検出処理では、電流センサ３１が出力する検出信号から、プラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電流の電流値が取得されて、その電流値が所定の判定値以上であるか否かが判定されるとした。これに代えて、電流センサ３１が出力する検出信号から、プラズマリアクタ１に印加されるリアクタ印加電流の電流積算値が取得されて、その電流積算値が所定の判定値以上であるか否かが判定されてもよい。

たとえば、積分回路、反転増幅器およびピークホールド・リセット回路を含むアナログ回路からなる電流積算回路を用いることにより、リアクタ印加電流の電流積算値を得ることができる。このアナログ回路では、積分回路に、電流センサ３１の検出信号（電圧）が入力され、積分回路からは、その入力電圧の時間積分に比例した電圧が出力される。反転増幅器には、積分回路の出力電圧が入力され、反転増幅器からは、その入力電圧が反転および増幅されて出力される。ピークホールド・リセット回路には、反転増幅器の出力電圧が入力される。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。制御装置１４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、リセット回路にリセット信号が入力される。これにより、電流積算回路からは、プラズマリアクタ用電源装置９からパルス波状の二次電圧が１パルス出力される度に、リアクタ印加電流が正の値をとる期間における電流積算値に応じた電圧が出力される。

また、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２に代えて、ＩＧＢＴなど、他のスイッチング素子が採用されてもよい。

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。

１ プラズマリアクタ
４ 電極パネル
１１ フライバック型昇圧トランス
１４ 制御装置（異常検出装置、カウント手段、判定手段、異常検出手段、電源制御手段）
２１ 一次コイル
２２ 二次コイル

Claims (2)

1. フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの一次電圧の印加／停止が周期的に繰り返されることにより、前記フライバック型昇圧トランスの二次コイルにパルス的に発生する二次電圧が印加され、その印加により、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を発生させるプラズマリアクタの制御装置であって、
   前記プラズマリアクタにおける漏電を検出する漏電検出手段と、
   前記漏電検出手段によって漏電が検出された場合に、前記一次電圧の１回の印加時間を段階的に低減させ、その低減に伴って、前記一次電圧の印加／停止の周波数を段階的に増加させる電源制御手段とを含む、制御装置。
2. 前記漏電検出手段は、
   前記プラズマリアクタに印加される電流の電流値または電流積算値を一定周期で取得し、その取得した値が所定範囲から外れた回数をカウントするカウント手段と、
   所定期間に前記カウント手段によってカウントされた回数が閾値以上である場合、前記プラズマリアクタに漏電が発生していると判定する判定手段とを含む、請求項１に記載の制御装置。

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