JP7224876B2

JP7224876B2 - 排気システム

Info

Publication number: JP7224876B2
Application number: JP2018223955A
Authority: JP
Inventors: 千尋松田; 昌司谷口; 一哉内藤; 和彦間所
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2023-02-20
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: JP2020084940A

Description

本発明は、排気システムに関する。

従来、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）などの有害成分を分解する装置として、プラズマリアクターを備える排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この排気浄化装置では、排気浄化触媒の上流側に、主流路をバイパスするバイパス流路を備え、そのバイパス流路に、ＨＣ吸着触媒を内蔵するプラズマリアクターが配置されている。

そして、この排気浄化装置では、排気浄化触媒の活性が充分に上がっていないときに、排気をバイパス流路に流して、ＨＣをプラズマリアクター内のＨＣ吸着触媒で吸着して、ＨＣが排気浄化触媒に達しないようにしている。

特開２００５－９０４００号公報

しかし、特許文献１に記載されるような排気浄化装置では、バイパス流路や、主流路とバイパス流路とを切り換えるための切替弁などが必要となり、構成が複雑になる。

そこで、本発明の目的は、簡易な構成で、炭化水素が車外に排出されることを抑制できる排気システムを提供することにある。

本発明［１］は、エンジンから排気するための排気システムであって、排気ガス中の炭化水素を吸着する吸着層を有する電極パネルを備えるプラズマリアクターと、前記電極パネルに電力を供給可能なオン状態、または、前記電極パネルに電力を供給しないオフ状態に切り替え可能な電源装置と、前記電源装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記エンジンが始動するタイミング、および、前記エンジンの回転数が上昇するタイミングで、前記電源装置を前記オフ状態から前記オン状態に切り替える、排気システムを含む。

このような構成によれば、エンジンが始動するタイミング、および、エンジンの回転数が上昇するタイミングで、電源装置をオフ状態からオン状態に切り替える。

これにより、エンジンが始動するタイミング、および、エンジンの回転数が上昇するタイミングにおいて、プラズマリアクターの内部にプラズマが発生している状態で、排気ガス中の炭化水素をプラズマリアクター内の電極パネルに吸着させることができる。

プラズマリアクターの内部にプラズマが発生している状態で炭化水素を電極パネルに吸着させることにより、電極パネルに吸着した炭化水素が脱離することを抑制できる。

その結果、バイパス流路を設けるなどの複雑な構成を採用することなく、簡易な構成で、炭化水素が車外に排出されることを抑制できる。

また、本発明［２］は、前記エンジンに接続される排気管と、前記排気管の途中に介在され、前記排気ガス中の前記炭化水素を分解する触媒コンバーターとをさらに備え、前記プラズマリアクターは、前記排気管の途中に介在され、前記排気ガスが流れる方向において、前記触媒コンバーターよりも下流に配置される、上記［１]の排気システムを含む。

このような構成によれば、触媒コンバーターで分解されなかった炭化水素を、プラズマリアクターで吸着および分解することができる。

本発明によれば、簡易な構成で、炭化水素が車外に排出されることを抑制できる。

図１は、本発明の排気システムの一実施形態を備える車両の概略構成図である。図２は、図１に示す排気システムの制御について説明するためのタイミングチャートである。

１．排気システムの構成
図１に示すように、排気システム１は、例えば、車両１００に搭載される。

車両１００は、エンジン１０１と、バッテリー１０２を含む電気システムと、エンジン１０１に吸気するための図示しない吸気システムと、エンジン１０１に燃料を供給するための図示しない燃料噴射システムと、エンジン１０１から排気するための排気システム１とを備える。

排気システム１は、排気管２と、触媒コンバーター３と、プラズマリアクター４と、電源装置５と、制御装置６とを備える。

（１）排気管
排気管２は、エンジン１０１に接続される。エンジン１０１から排出される排気ガスは、排気管２を通って車外に排出される。

（２）触媒コンバーター
触媒コンバーター３は、排気管２の途中に介在される。具体的には、触媒コンバーター３は、触媒の一例としての三元触媒を内部に有する三元触媒コンバーターである。触媒コンバーター３は、内部の触媒により、排気ガスに含まれる有害成分（炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ））を分解する。

（３）プラズマリアクター
プラズマリアクター４は、排気管２の途中に介在される。プラズマリアクター４は、排気ガスが流れる方向において、触媒コンバーター３よりも下流に配置される。プラズマリアクター４は、触媒コンバーター３を通過した排気ガスに含まれる有害成分を分解する。

プラズマリアクター４は、入口４Ａと、出口４Ｂとを有する。エンジン１０１から排出された排気ガスは、排気管２を通って、入口４Ａから、プラズマリアクター４の内部に流入する。プラズマリアクター４の内部を通過した排気ガスは、出口４Ｂから流出する。

プラズマリアクター４は、複数の電極パネル７を有する。複数の電極パネル７は、プラズマリアクター４の内部に設けられる。各電極パネル７は、入口４Ａから出口４Ｂに向かって延びる。各電極パネル７は、平板形状を有する。複数の電極パネル７は、入口４Ａから出口４Ｂに向かう方向と直交する方向において、互いに間隔を隔てて並ぶ。

各電極パネル７は、導体層と、導体層を覆う誘電体層と、誘電体層の表面に形成される吸着層とを有する。導体層は、例えば、タングステンなどの金属（導体）から作られる。誘電体層は、例えば、酸化アルミニウムなどのセラミックス（誘電体）から作られる。吸着層は、炭化水素を吸着可能な層であり、例えば、ゼオライトなどから作られる。

各電極パネル７に電力が供給されると、各電極パネル７の間で放電が生じる。これにより、各電極パネル７の間の気体が、プラズマ状態となる。すなわち、プラズマリアクター４内にプラズマが発生する。

すると、プラズマリアクター４に流入した排気ガスに含まれる有害成分は、プラズマリアクター４内のプラズマにより、分解される。プラズマリアクター４を通過した排気ガスは、排気管２を介して、車外に排出される。

（４）電源装置
電源装置５は、バッテリー１０２からの電力をプラズマリアクター４の各電極パネル７に供給可能である。電源装置５は、電源配線８Ａを介して、バッテリー１０２に電気的に接続される。また、電源装置５は、電源配線８Ｂを介して、各電極パネル７に電気的に接続される。電源装置５は、オン状態またはオフ状態に切り替え可能である。電源装置５がオン状態である場合、電源装置５は、電極パネル７に電力を供給可能である。また、電源装置５がオフ状態である場合、電源装置５は、電極パネル７に電力を供給しない。

（５）制御装置
制御装置６は、車両１００における電気的な制御を実行するＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備える。制御装置６は、電源配線１０を介して、バッテリー１０２に接続される。制御装置６は、車両１００のイグニッションスイッチがオンされたときに、バッテリー１０２から電源配線１０を介して電力が供給されることにより、起動する。

制御装置６は、信号配線９を介して、電源装置５に電気的に接続される。制御装置６は、信号配線９を介して電源装置５に所定の電気信号を送ることにより、電源装置５をオン状態またはオフ状態に切り替える。すなわち、制御装置６は、電源装置５を制御する。

また、制御装置６は、図示しないアクセルペダルと電気的に接続され、アクセルペダルの位置に応じた電気信号（アクセル指示値）を受信可能である。

２．排気システムの制御
次に、排気システム１の制御について説明する。

図２に示すように、まず、制御装置６は、エンジン１０１が始動するタイミングで、電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替える（プラズマリアクターＯＮ）。エンジン１０１が始動するタイミングとは、具体的には、車両１００のイグニッションスイッチがオンされ、制御装置６が起動した時点ｔ_０の直後の時点ｔ_１である。なお、「直後」とは、好ましくは、エンジン１０１が始動した後、排気ガスがプラズマリアクター４に流入するまでである。

エンジン１０１は、イグニッションスイッチがオンされた後、セルモーターが回ることにより始動する。すると、エンジン１０１からの排気ガスが、排気管２を通って、触媒コンバーター３に流入する。しかし、エンジン１０１が始動した直後では、三元触媒は、活性化温度まで到達しておらず、有害成分を分解する能力が低い。そのため、排気ガス中の有害成分が、触媒コンバーター３で分解されずに、プラズマリアクター４に流入する。

この点、制御装置６は、イグニッションスイッチがオンされ、制御装置６が起動した直後に、電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替えるので、エンジン１０１が始動し、有害成分を含む排気ガスがプラズマリアクター４の内部に流入し始めるタイミングで、プラズマリアクター４の内部にプラズマが発生する。

すると、排気ガス中の炭化水素は、プラズマリアクター４の内部にプラズマが発生している状態で、電極パネル７の吸着層に吸着する。

ここで、炭化水素は、吸着層の温度が上昇するに伴って、吸着層から脱離してしまうことが知られている。しかし、後述する実施例の実験Ｉで示すように、プラズマが発生している状態で吸着層に吸着した炭化水素は、吸着層の温度が上昇しても、吸着層から脱離しにくい。

そのため、エンジン１０１が始動するタイミングで電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替えることにより、排気ガス中の炭化水素を、電極パネル７の吸着層に、長時間、吸着させておくことができる。

そして、制御装置６は、電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替えた後、所定の時間Ｔ１が経過した時点ｔ_２において、電源装置５をオン状態からオフ状態に切り替える（プラズマリアクターＯＦＦ）。

所定の時間Ｔ１は、適宜設定できるが、好ましくは、触媒コンバーター３の三元触媒が活性化温度まで到達し、有害成分を十分に分解できるようになるまでの時間である。

次に、制御装置６は、エンジン１０１の回転数が上昇するタイミングで、電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替える（プラズマリアクターＯＮ）。

エンジン１０１の回転数が上昇するタイミングは、例えば、アクセル指示値に基づいて計ることができる。具体的には、制御装置６は、時点ｔ_３においてアクセルペダルが踏み込まれ（アクセルＯＮ）、アクセル指示値が所定の閾値を上回った時点ｔ_４で、エンジン１０１の回転数が上昇すると判断し、電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替える。

このとき、プラズマリアクター４は、既に吸着層に吸着されている炭化水素（例えば、上記したようにエンジン１０１が始動するタイミングで吸着層に吸着された炭化水素）を分解する。

その後、エンジン１０１の回転数が上昇すると、エンジン１０１からの排気ガスが増加する。すると、増加した排気ガス中の有害成分の一部が触媒コンバーター３で分解されずにプラズマリアクター４に流入する場合がある。

しかし、エンジン１０１の回転数が上昇するタイミングで、電源装置５がオフ状態からオン状態に切り替えられているので、上記したように、プラズマリアクター４の内部にプラズマが発生している状態で、排気ガス中の炭化水素を、排気ガスの温度が低い場合には、電極パネル７の吸着層に吸着させることができ、排気ガスの温度が高い場合には、すでに吸着層に吸着されている炭化水素を分解する。

そして、制御装置６は、例えば、時点ｔ_５においてアクセルペダルが戻されて（アクセルＯＦＦ）、アクセル指示値が所定の閾値を下回った後、所定の時間Ｔ２を経過した時点ｔ_６において、電源装置５をオン状態からオフ状態に切り替える（プラズマリアクターＯＦＦ）。

所定の時間Ｔ２は、適宜設定できる。所定の時間Ｔ２は、例えば、アクセル指示値が所定の閾値を下回った後、エンジン１０１の回転数が所定の回転数以下になるまでの時間である。

３．作用効果
この排気システム１によれば、図２に示すように、エンジン１０１が始動するタイミング、および、エンジン１０１の回転数が上昇するタイミングで、電源装置５をオフ状態からオン状態に切り替える。

これにより、エンジン１０１が始動するタイミング、および、エンジン１０１の回転数が上昇するタイミングで、プラズマリアクター４の内部にプラズマが発生している状態で、排気ガス中の炭化水素をプラズマリアクター４内の電極パネル７に吸着させることができる。

その結果、電極パネル７に吸着した炭化水素が脱離することを抑制でき、炭化水素が車外に排出されることを抑制できる。

また、この排気システム１によれば、図１に示すように、プラズマリアクター４は、排気管２の途中に介在され、排気ガスが流れる方向において、触媒コンバーター３よりも下流に配置される。

そのため、触媒コンバーター３で分解されなかった炭化水素をプラズマリアクター４で吸着および分解することができる。

特に、エンジン１０１が始動するタイミング、および、エンジン１０１の回転数が上昇するタイミングにおいて、炭化水素が触媒コンバーター３で分解されない場合が想定される。

この点、エンジン１０１が始動するタイミング、および、エンジン１０１の回転数が上昇するタイミングにおいて、触媒コンバーター３で分解されなかった炭化水素をプラズマリアクター４で効率よく吸着および分解することができる。

次に、本発明を、実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。

＜実験Ｉ＞
参考例１
ゼオライトからなる吸着層を有する電極パネルを準備した。次に、その電極パネルを用いてプラズマを発生させるとともに、その電極パネルに、炭化水素としてイソオクタンガスを作用させた。これにより、プラズマが発生している状態で、イソオクタンを電極パネルに吸着させた。電極パネルに吸着したイソオクタンの量（ＨＣ吸着量）は、０．０７３ｍｏｌであった。

次に、イソオクタンを吸着させた電極パネルを加熱して３８０℃まで昇温し、電極パネルから脱離したイソオクタンの量（ＨＣ脱離量）を測定した。ＨＣ脱離量は、０．０１０ｍｏｌであった。

参考例２
プラズマを発生させないで、電極パネルにイソオクタンガスを吸着させた以外は、参考例１と同様にして、ＨＣ吸着量およびＨＣ脱離量を測定した。ＨＣ吸着量は、０．０７８ｍｏｌであり、ＨＣ脱離量は、０．０２２ｍｏｌであった。

参考例１と参考例２とを比較することにより、プラズマが発生している状態でイソオクタンを電極パネルに吸着させることにより、ＨＣの脱離を抑制できることが理解できる。

＜実験ＩＩ＞
実施例
ゼオライトからなる吸着層を有する電極パネルを用いて、プラズマリアクターを作製した。そのプラズマリアクターを、シミュレーションベンチにて、三元触媒コンバーターの下流に配置し、ＷＬＴＣ（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ－ｈａｒｍｏｎｉｚｅｄＬｉｇｈｔｖｅｈｉｃｌｅｓＴｅｓｔＣｙｃｌｅ）－Ｌｏｗモードにおける全炭化水素（ＴＨＣ）除去率を測定した。

なお、プラズマリアクターの消費電力を５０Ｗに設定し、図２に示すように、エンジン始動するタイミングと、エンジンの回転数が上昇するタイミングとで、プラズマリアクターをＯＮした。

ＴＨＣ除去率は、４３．９％であった。

比較例１
プラズマリアクターの消費電力を２００Ｗに設定し、ＷＬＴＣ－Ｌｏｗモードの全域でプラズマリアクターをＯＮした以外は、実施例と同様にして、ＴＨＣ除去率を測定した。ＴＨＣ除去率は、４５．１％であった。

実施例と比較例１とを比較することにより、実施例の方が、比較例１よりも省電力で、ＨＣを除去できることが理解できる。

比較例２
吸着層を有さない電極パネルを用いてプラズマリアクターを作製し、プラズマリアクターの消費電力を４００Ｗに設定し、ＷＬＴＣ－Ｌｏｗモードの全域でプラズマリアクターをＯＮした以外は、実施例と同様にして、ＴＨＣ除去率を測定した。ＴＨＣ除去率は、１６．３％であった。

１排気システム
２排気管
３触媒コンバーター
４プラズマリアクター
５電源装置
６制御装置
７電極パネル
１０１エンジン

Claims

エンジンから排気するための排気システムであって、
排気ガス中の炭化水素を吸着する吸着層を有する電極パネルを備えるプラズマリアクターと、
前記電極パネルに電力を供給可能なオン状態、または、前記電極パネルに電力を供給しないオフ状態に切り替え可能な電源装置と、
前記電源装置を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
アクセルペダルの位置に応じたアクセル指示値が所定の閾値を上回ったタイミングで、前記エンジンの回転数が上昇するタイミングであると判断し、
前記エンジンが始動するタイミング、または、前記エンジンの回転数が上昇するタイミングで、前記電源装置を前記オフ状態から前記オン状態に切り替え、
前記電源装置を前記オフ状態から前記オン状態に切り替えた後、前記アクセル指示値が所定の閾値を下回った場合、所定の時間を経過したタイミングで、前記電源装置を前記オン状態から前記オフ状態に切り替えることを特徴とする、排気システム。
前記エンジンに接続される排気管と、
前記排気管の途中に介在され、前記排気ガス中の前記炭化水素を分解する触媒コンバーターと
をさらに備え、
前記プラズマリアクターは、前記排気管の途中に介在され、前記排気ガスが流れる方向において、前記触媒コンバーターよりも下流に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の排気システム。