JP6957283B2

JP6957283B2 - エンジンシステム

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Publication number: JP6957283B2
Application number: JP2017175470A
Authority: JP
Inventors: 遼一島村; 谷口　昌司; 一哉内藤; 和彦間所; 慎介和田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2019052556A

Description

本発明は、エンジンシステム、詳しくは、ガソリンエンジンから排出される排ガスを浄化することができるエンジンシステムに関する。

自動車などのガソリンエンジンから排出される排ガスには、炭化水素（ＴＨＣ）、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、放電プラズマ装置により効率よく排ガスを浄化することが要求されており、換言すれば、優れた排ガス浄化率を発現しながら、省電力化を図ることが要求されている。

本発明は、排ガス浄化性能に優れ、かつ、省電力化を図ることができるエンジンシステムである。

本発明［１］は、ガソリンエンジンと、前記ガソリンエンジン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、前記排ガスからガソリンエンジンの空燃比を検知する空燃比センサと、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、前記空燃比センサにより検知される空燃比が理論空燃比より大きい場合に、第１の電力を前記プラズマリアクタに印加し、前記空燃比センサにより検知される空燃比が理論空燃比より小さい場合に、前記第１の電力よりも大きい第２の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、エンジンシステムを含んでいる。

排ガスに含まれる有害成分（ＴＨＣ、ＮＯｘなど）を、プラズマリアクタにより浄化する場合、図１が参照されるように、ＴＨＣの浄化効率（ＴＨＣ除去率）は、プラズマリアクタの出力が高くなるに従って向上する。

一方、図２が参照されるように、ＮＯｘの浄化効率（ＮＯｘ除去率）は、比較的低電力の領域ではプラズマリアクタの出力が高くなるに従って向上するが、プラズマリアクタの出力が過度に高くなると、ＮＯｘの浄化効率（ＮＯｘ除去率）が低下する。

しかし、プラズマリアクタの出力を、ＮＯｘの浄化効率（ＮＯｘ除去率）を基準として適度に設定すると、図１が参照されるように、ＴＨＣを十分に浄化できないという不具合がある。

この点、エンジンシステムにおいて、排ガス中の有害成分は、その排ガスの発生源（ガソリンエンジン）の空燃比に応じて異なる。

より具体的には、ガソリンエンジンの空燃比が理論空燃比より大きい場合（リーンバーン時）には、排ガス中におけるＴＨＣの含有量が少なく、ＮＯｘの含有量が多くなる。

そこで、本発明のエンジンシステムでは、空燃比センサにより検知される空燃比が理論空燃比より大きい場合（リーンバーン時）には、第１の電力を電源からプラズマリアクタに印加し、プラズマリアクタを作動させる。

このような場合、排ガス中には比較的多量のＮＯｘが含有されるため、そのＮＯｘを効率よく浄化できる第１の電力でプラズマリアクタを作動させることにより、過度に電力を消費することなく、効率よくＮＯｘを浄化することができる。

また、ガソリンエンジンの空燃比が理論空燃比より小さい場合（リッチバーン時）には、排ガス中におけるＮＯｘの含有量が少なく、ＴＨＣの含有量が多くなる。

そこで、本発明のエンジンシステムでは、空燃比センサにより検知される空燃比が理論空燃比より小さい場合（リッチバーン時）には、第１の電力よりも大きい第２の電力を、電源からプラズマリアクタに印加し、プラズマリアクタを作動させる。

このような場合、排ガス中には比較的多量のＴＨＣが含有されるため、そのＴＨＣを効率よく浄化できる第２の電力でプラズマリアクタを作動させることにより、効率よくＴＨＣを浄化することができる。

このように、本発明のエンジンシステムによれば、優れた排ガス浄化性能を得ることができ、かつ、省電力化を図ることができる。

図１は、プラズマリアクタに印加する電力と、ＴＨＣ除去率との関係を示すグラフである。図２は、プラズマリアクタに印加する電力と、ＮＯｘ除去率との関係を示すグラフである。図３は、本発明のエンジンシステムの一実施形態を示す概略図である。

１．エンジンシステムの全体構成
図３において、エンジンシステム１は、ガソリンエンジン２と、ガソリンエンジン２から排出される排ガスを浄化する浄化システムとを備えており、より具体的には、エンジンシステム１は、ガソリンエンジン２と、ガソリンエンジン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。

ガソリンエンジン２は、ガソリンを燃料として駆動する公知の内燃機関であり、例えば、単気筒型ガソリンエンジン、多気筒型ガソリンエンジンなどが挙げられる。

ガソリンエンジン２は、気筒内においてピストンの昇降運動が繰り返されており、このピストンサイクルによって、ガソリンと空気との混合ガスを燃焼させ、エネルギーを生じさせる。このとき、空気の質量を燃料（ガソリン）の質量で割った値が、空燃比（Ａ／Ｆ）と称される。

排気管３は、ガソリンエンジン２の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、ガソリンエンジン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。

ガソリンエンジン２から排出される有害成分としては、例えば、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）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３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、後述するように、空燃比センサ７（後述）の検知に基づいて、その動作が制御される。

さらに、エンジンシステム１は、排ガスから空燃比を検知する空燃比センサ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。

空燃比センサ７としては、排ガスの状態からガソリンエンジン２の空燃比を検知できれば、特に制限されず、例えば、公知のＯ_２センサ（フロントＯ_２センサ、リアＯ_２センサなど）、公知のＡ／Ｆセンサなどが挙げられる。

空燃比センサ７は、例えば、排ガス浄化触媒の上流側、排ガス浄化触媒の下流側、あるいは、その両方に設けられる。

このような空燃比センサ７は、例えば、排ガス中の酸素濃度などを測定することによって、ガソリンエンジン２の空燃比を検知可能としている。

制御ユニット８は、エンジンシステム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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、空燃比センサ７および電源６に電気的に接続されており（図３破線参照）、上記した空燃比センサ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３に示されるエンジンシステム１において、ガソリンエンジン２が駆動開始されると、ガソリンエンジン２から排ガスが生じ、排気管３に供給される（図３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。

このような場合、上記のエンジンシステム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、このエンジンシステム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、エンジンシステム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、９０〜９９％であり、プラズマリアクタ５による浄化割合が、１〜１０％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．プラズマリアクタの電力制御
ガソリンエンジンの排ガス中に含有される有害成分は、上記した通り、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）などである。

これら排ガスに含まれる有害成分を、プラズマリアクタ５を作動させることにより浄化する場合、図１が参照されるように、ＴＨＣの浄化効率（ＴＨＣ除去率）は、プラズマリアクタ５の出力が高くなるに従って向上する。

一方、図２が参照されるように、ＮＯｘの浄化効率（ＮＯｘ除去率）は、比較的低電力の領域ではプラズマリアクタ５の出力が高くなるに従って向上するが、プラズマリアクタ５の出力が過度に高くなると、ＮＯｘの浄化効率（ＮＯｘ除去率）が低下する。

しかし、プラズマリアクタ５の出力を、ＮＯｘの浄化効率（ＮＯｘ除去率）を基準として適度に設定すると、図１が参照されるように、ＴＨＣを十分に浄化できないという不具合がある。

この点、エンジンシステム１において、排ガス中の有害成分は、その排ガスの発生源（ガソリンエンジン２）の空燃比に応じて異なる。

そのため、このエンジンシステム１では、以下に示すように、空燃比センサ７により検知される空燃比に基づいてプラズマリアクタ５の出力を制御することにより、上記の不具合を解消できる。

より具体的には、ガソリンエンジン２の空燃比が理論空燃比（ストイキオメトリー（Ａ／Ｆ＝１４．７））より大きい場合（リーンバーン時）には、排ガス中におけるＴＨＣの含有量が少なく、ＮＯｘの含有量が多くなる。

そこで、上記のエンジンシステム１では、空燃比センサ７により検知される空燃比が理論空燃比より大きい場合（リーンバーン時）には、制御ユニット８の制御により、第１の電力を電源６からプラズマリアクタ５に印加し、プラズマリアクタ５を作動させる。

第１の電力は、ＮＯｘを効率よく浄化できるようにプラズマリアクタ５を作動させるための電力であり、プラズマリアクタ５の設計などに応じて、予め設定される。

第１の電力は、例えば、ＮＯｘの浄化効率（ＮＯｘ除去率）が最大となるプラズマリアクタ５の出力に対応する電力である。

第１の電力は、例えば、５０Ｗ以上、好ましくは、１００Ｗ以上であり、例えば、３５０Ｗ未満、好ましくは、３００Ｗ未満である。

より具体的には、図２において、第１の電力（ＮＯｘ除去率が最大となる電力）は、１５０Ｗである。

そして、空燃比が理論空燃比より大きい場合（リーンバーン時）には、排ガス中には比較的多量のＮＯｘが含有されるため、そのＮＯｘを効率よく浄化できる第１の電力でプラズマリアクタ５を作動させることにより、排ガス中に含まれる比較的多量のＮＯｘを、過度に電力を消費することなく、効率よく浄化することができる。

また、ガソリンエンジン２の空燃比が理論空燃比（ストイキオメトリー（Ａ／Ｆ＝１４．７））より小さい場合（リッチバーン時）には、排ガス中におけるＮＯｘの含有量が少なく、ＴＨＣの含有量が多くなる。

そこで、上記のエンジンシステム１では、空燃比センサ７により検知される空燃比が理論空燃比より小さい場合（リッチバーン時）には、制御ユニット８の制御により、第１の電力よりも大きい第２の電力を電源６からプラズマリアクタ５に印加し、プラズマリアクタ５を作動させる。

第２の電力は、第１の電力よりも大きい電力値であれば、特に制限されないが、例えば、ＴＨＣの浄化効率（ＴＨＣ除去率）が最大となるプラズマリアクタ５の出力に対応する電力である。

第２の電力は、例えば、２００Ｗ以上、好ましくは、２００Ｗを超過、より好ましくは、３００Ｗ以上、さらに好ましくは、３５０Ｗ以上、とりわけ好ましくは、４００Ｗ以上であり、例えば、１０００Ｗ以下である。また、第２の電力は、とりわけ好ましくは、プラズマリアクタ５の最大出力に対応する電力である。

より具体的には、図１において、第２の電力（ＴＨＣ除去率が最大となる電力）は、４００Ｗである。

また、第１の電力と第２の電力との差は、例えば、１００Ｗ以上、好ましくは、２００Ｗ以上であり、例えば、９００Ｗ以下である。

そして、空燃比が理論空燃比より小さい場合（リッチバーン時）には、排ガス中には比較的多量のＴＨＣが含有されるため、そのＴＨＣを効率よく浄化できる第２の電力でプラズマリアクタ５を作動させることにより、排ガス中に含まれる比較的多量のＴＨＣを、効率よく浄化することができる。

また、空燃比センサ７により検知される空燃比が理論空燃比（ストイキオメトリー（Ａ／Ｆ＝１４．７））である場合には、特に制限されないが、第１の電力と第２の電力との中間の電力で、プラズマリアクタ５を作動させる。

これにより、排ガス中のＴＨＣおよびＮＯｘを、バランスよく浄化することができる。

このように、空燃比に応じた電力でプラズマリアクタ５を作動させることにより、優れた排ガス浄化性能を得ることができ、かつ、省電力化を図ることができる。

また、上記のエンジンシステム１では、好ましくは、空燃比センサ７の検知に基づいたプラズマリアクタ５の制御では、空燃比センサ７からプラズマリアクタ５までの応答遅れや、空燃比センサ７からプラズマリアクタ５までの距離（管長さ）などの各種の誤差要因を反映させる。これにより、とりわけ優れた排ガス浄化性能を得ることができ、かつ、省電力化を図ることができる。

１エンジンシステム
２ガソリンエンジン
３排気管
４触媒ユニット
５プラズマリアクタ
６電源
７空燃比センサ
８制御ユニット

Claims

ガソリンエンジンと、
前記ガソリンエンジン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、
前記排ガスからガソリンエンジンの空燃比を検知する空燃比センサと、
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、
前記空燃比センサにより検知される空燃比が理論空燃比より大きい場合に、第１の電力を前記プラズマリアクタに印加し、
前記空燃比センサにより検知される空燃比が理論空燃比より小さい場合に、前記第１の電力よりも大きい第２の電力を前記プラズマリアクタに印加し、
前記空燃比センサにより検知される空燃比が理論空燃比である場合に、前記第１の電力と、前記第２の電力との中間の電力を、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、エンジンシステム。