JP7393998B2 - 排気ガス浄化用プラズマリアクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用等のエンジンに設けて排気ガスの浄化に使用されるプラズマリアクタ装置に関するものである。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの排気ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などの有害成分が含まれている。

そこで、排気ガスを浄化するための手段として、ガソリンエンジンでは一般に三元触媒を使用した触媒式の排気ガス浄化装置が使用されており、他方、ディーゼルエンジンではＤＰＦが使用されているが、PＭを燃焼させるための燃料噴射制御を要する問題や、ＤＰＦ内に堆積したＰＭやアッシュ（燃料中の硫黄成分による未燃灰分）による圧損増大がある等、課題が多い。

他方、ガソリンエンジンではＰＭの排出量はディーゼルエンジンに比べると少ないため、従来は触媒式排気ガス浄化装置によって対応してきたが、ＰＭについて規制が個数管理（ＰＮ）に移行するに至り、ガソリンエンジンでもＰＭの処理が重要な課題として浮上している。

このように、ＰＭの無害化処理はエンジンにとって切迫した課題であるが、ＰＭの処理技術としてプラズマリアクタが注目されている。プラズマリアクタは、排気ガスが流れるケーシング内に多数枚の放電パネルが放電ギャップを介して並設された構造になっており、対向した（隣り合った）放電パネルの電極間に電流を印加してプラズマ（非平衡プラズマ）を発生させることにより、排気ガスに含まれたＰＭを酸化させて無害化している。

プラズマリアクタはＰＭを無害化できるが、電力を使用するため、消費電力をできるだけ抑制しつつ必要なＰＭ処理能力を確保することが必要である。しかし、排気ガスに含まれるＰＭ量が多い場合、排気ガス中からＰＭを除去しきれずに、ＰＭが放電パネルの表面に付着し堆積してしまうことがある。

そして、放電パネルにＰＭが堆積すると、電極間での放電が弱くなってＰＭ除去性能が低下する問題や、電流の漏洩による過電流に起因して電源が破損するおそれがある問題、或いは、放電ギャップの低下による圧損増大の問題などがある。

従って、放電パネルにＰＭが堆積しているか否かを検知できると、放電力の強化や抑制、或いは放電時間の延長又は短縮といった対応を採ることができて、電力を有効利用できる。そこで、放電パネルへのＰＭの堆積を検知してプラズマリアクタの放電を制御することが提案されており、その例として特許文献１には、ＰＭが堆積すると放電パネル間を流れるマイナス電流の流れが変化することに着目し、マイナス電流の積算値をパラメータとしてＰＭ堆積の有無を検知することが開示されている。

特開２０１８－１２３７１１号公報

さて、ＰＭの堆積検知手段としては、プラズマリアクタの前後の圧力差を利用する方法もあるが、この方法は２つの圧力計を要するためコストがかかる問題や、ＰＭ堆積による圧力損失は小さいため精度が低いといった問題があるのに対して、特許文献１の方法では、制御装置に内蔵している電流計を利用できるためコストを抑制できると共に、ＰＭ堆積とマイナス電流との関係が高いため検知精度が高いといった利点がある。

しかし、その後本願発明者たちが自動車の走行モードと組み合わせて検討したところ、克服すべき問題が現れた。すなわち、図２は、エンジンを始動してから１５００秒（２５分）に亙って暖機運転と走行・停止を行う運転モードにおいて、マイナス電流積算値の変化とプラズマリアクタに入る排気ガスの温度の変化とを計測したグラフであるが、運転時間の経過と共にプラズマリアクタに入る排気ガスの温度は高くなる傾向を呈しており、これに呼応して、マイナス電流積算値（の絶対値）はＰＭ堆積がない状態でもＰＭがある状態でも高くなる傾向を呈していた。

このことから、マイナス電流積算値（の絶対値）をパラメータとしてプラズマリアクタを制御するに当たっては、排気ガスの温度に対応してマイナス電流積算値を補正する必要があることを理解できるが、プラズマリアクタに温度センサを設けると、それだけコストが嵩んでしまう。

本願発明はかかる知見に基づいて成されたものであり、マイナス電流積算値をパラメータとしてプラズマリアクタの制御に使用することは特許文献１と共通しつつ、温度センサを使用することなくＰＭ堆積の有無を検知可能にしようとするものである。

特許文献１にも記載されているが、放電パネルの表面にＰＭが堆積すると、ＰＭが堆積していない初期状態と比較して電極間での放電が弱くなり、電源装置から電極間に印加される電圧により電極を流れる電流の向きと逆向きに電極を流れるマイナス電流の積算値が小さくなる。この傾向自体は排気ガスの温度と関係なく一貫しているが、既述のとおり、マイナス電流積算値は排気ガスの温度によって相違しており、従って、排気ガスの温度が相違すると、同じマイナス電流積算値であってもＰＭの堆積の有無が相違してくる。

他方、本願発明者たちが研究したところ、放電が発生しない低電圧（例えば１．８ｋＶ程度）で印加電流最大値を変化させていくと、ＰＭが堆積した状態でマイナス電流の積算値が殆ど変化しない領域と、ＰＭが堆積していない状態でマイナス電流の積算値が殆ど変化しない状態とが存在することが分かった。すなわち、特定の非放電電圧で特定の電流最大値の範囲で、ＰＭの存在を示すマイナス電流の積算値とＰＭの非存在を示すマイナス電流の積算値とが一定のままである領域が存在することが判明した。

本願発明者たちは、このような知見を基にして本願発明を完成させるに至った。

本願発明のプラズマリアクタ装置は、
「排気ガスが流れるケーシング内に放電ギャップを介して多数枚の放電パネルが並列配置されているプラズマリアクタ本体と、前記放電パネル間の放電を制御する制御装置とを備えており、
前記制御装置による放電の制御が、電極間を電流印加方向と逆向きに流れるマイナス電流の値を予め設定した所定時間にわたって積算したマイナス電流積算値に基づいて行われる」
という構成において、
「前記放電パネル間にプラズマが発生しない低い電圧を検知電圧として予め設定しておき、前記検知電圧の下で電流最大値を変化させてもマイナス電流積算値が殆ど変化しないときの当該マイナス電流積算値を検出値として、前記検出値が予め設定した基準値よりも大きい場合はＰＭ堆積はなくて前記基準値よりも小さい場合はＰＭ堆積があると判断して、前記プラズマリアクタ本体での放電が制御される」
という特徴を備えている。

本発明によれば、検知電圧と検知電流とを制御してマイナス電流積算値を検知することにより、排気ガスの温度とは関係なくＰＭ堆積の有無やＰＭ堆積の程度の検知できる。従って、マイナス電流積算値に基づいてプラズマリアクタを高精度で制御することを、温度センサや圧力センサを使用することなく低コストで実現できる。

（Ａ）は全体のブロック図、（Ｂ）はプラズマリアクタ本体の内部の部分的な縦断側面図である。 （Ａ）は運転モードを示すグラフ、（Ｂ）はプラズマリアクタ内での排気ガス温度を示すグラフ、（Ｃ）はマイナス電流積算値の絶対値の変化を示すグラフである。 （Ａ）は運転モードにおける電流最大値の変化を示すグラフ、（Ｂ）はマイナス電流積算値の絶対値の変化を示すグラフ（図２（Ｃ）と同様のもの）である。 ＰＭ堆積の有無と電流の波形との関係を示すグラフである。 電流最大値とマイナス電流積算値の絶対値との関係を示すグラフである。 電圧と電流最大値とのマイナス電流積算値の絶対値との関係を示すグラフである。 検知電圧での電流最大値とマイナス電流積算値の絶対値との関係を示すグラフである。 検知・制御の例を示すフローチャートである。

次に、本願発明を自動車用エンジンのプラズマリアクタ装置に適用した実施形態を添付図面に基づいて説明する。

(1).概要
プラズマリアクタ装置の概要は図１に示している。この装置は自動車の排気ガスに含まれたＰＭを除去するためのものであり、排気管２の途中部に介装されたプラズマリアクタ本体１を備えている。プラズマリアクタ本体１は、ステンレス板等の金属板から成る角形のケーシング３と、ケーシング３の内部に積層状に配置された多数枚の放電パネル４，５で構成されている。

放電パネルは、負極放電パネル４と正極放電パネル５とから成っており、負極放電パネル４と正極放電パネル５とが放電ギャップ６を介して排気ガスの流れ方向と直交した方向に交互に配置されている。放電パネル４，５は、アルミナ等のセラミック板の内部にタングステン等からなる電極７，８を埋設した構造であり、例えば、紙面と直交した方向に配置された一対の側面電極板（図示せず）を介してケーシング３の内部に保持されている。

前記した一対の側面電極板のうち一方の側面電極板は各負極放電パネル４のマイナス電極７に導通されて、他方の側面電極板は、各正極放電パネル５のプラス電極８に導通されている。側面電極板は電源部９に接続されており、電源部９は、自動車のバッテリ１０から給電されている。

電源部９は昇圧コイル等の高電圧発生手段を備えており、高電圧化された高周波電流（パルス電流）は、負極放電パネル４のマイナス電極７に印加され、電子流がマイナス電極７からプラス電極８に向けて流れることによって放電ギャップ６にプラズマが発生し、このプラズマによってＰＭが酸化（燃焼）して無害化される。

電源部９とマイナス電極７とを繋ぐ回路中に制御部１１が介挿されており、制御部１１によってプラズマリアクタ本体１への通電や電流・電圧の強さが制御される。放電パネル４，５の表面にＰＭが付着すると、既述のようにプラズマの生成不良等の弊害が現れる。従って、ＰＭの堆積を検知したら電圧を上げるなどしてＰＭの除去を促進する一方、ＰＭの発生が見られない場合は、電圧を低下させたり放電を停止させたりして省電力を図ることができる。

そこで、制御部１１にはＰＭ検知部１２が接続されている。ＰＭ検知部１２は記憶手段や演算回路などを備えており、プラズマリアクタ本体１に印加される電流の強さ（プラスの電流の強さ、マイナスの電流の強さ）を計測する電流センサ１３と、マイナス電極７とプラス電極８との間に印加される電圧の強さ（電位差）を計測する電圧センサ１４とが接続されている。制御部１１は、独立した回路として作成してもよいし、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）に組み込まれていてもよい。センサ１３，１４は回路に内蔵されている。

また、プラズマリアクタ本体１の制御はエンジンの運転状態と密接に関連しているので、制御部１１には、補助データ取得手段として、エンジンの回転数や加速度を検知する回転センサ１５、エンジンの始動・停止を検知するイグニッションスイッチ１６、冷却水の温度を検知する水温センサ１７、スロットルバルブの開度を検知するスロットルセンサ１８などが接続されている。

(2).検知の前提事象
図２は既に触れたが、実際の走行に似せた走行モードにおいて、プラズマリアクタ本体１に流入する排気ガスの温度やマイナス電流積算値（絶対値）がどのように変化するかを表示している。図２（Ａ）において、点線の棒グラフはＰＭが堆積している状態を示している一方、実線の棒グラフはＰＭが堆積していない状態（初期状態）を示しており、排気ガスの温度に関係なくＰＭの堆積があるとマイナス電流積算値が低下している。

図３では、プラズマリアクタ本体１に印加される電流最大値とマイナス電流積算値との関係を示しており、ＰＭが存在していない状態では電流最大値は高くて、ＰＭが存在している状態では電流最大値は低くなっている。図３（Ｂ）は基本的には図２（Ｃ）と同じであり、測定条件が若干相違するため図２（Ａ）とは僅かに相違している。

図４に示すように、電流がマイナスの領域において、ＰＭが堆積していると、ＰＭが堆積していない初期状態と比較して、放電時に電極７，８を流れる電流（放電電流）の最小値が大きくなっている（絶対値は小さくなっている。）。これは、ＰＭが堆積していると、電極７，８間での放電が弱くなることに起因している（なお、電流がプラスの領域でも、ＰＭが堆積していると電流の最大値は小さくなる傾向がある。）。

図４の事実より、単位時間当たりのマイナス電流積算値の絶対値は、ＰＭの堆積がない場合に比べてＰＭの堆積がある場合には小さくなっている。これは特許文献１の図１１に開示されているとおりであるので本実施形態では省略しているが、図２（Ｃ）や図３（Ｂ）からその事実を把握できる。

電極７，８間に放電している状態では、図５に示すように、電流最大値の増大に比例してマイナス電流積算値の絶対値は増大しているが、ＰＭ堆積がない場合とＰＭ堆積がある場合とで略同じ増加傾向を示しており、かつ、両者は明確に乖離している。

従って、電流最大値を所定の範囲で変化させながらマイナス電流積算値の絶対値を演算して、マイナス電流積算値の絶対値（実測値）と予め作成したマップの設定値とを照合することにより、ＰＭの堆積の有無を検知することも可能である。

図６では、電流最大値と電圧との変化に応じてマイナス電流積算値がどのように変化するかを示しており、本願発明の中核を成す現象が含まれている。すなわち、まず、電極７，８間に強い放電が発生する電圧（４．２ｋＶ、４．５ｋＶ）の下では、電流最大値も高くなっているが、この状態ではマイナス電流積算値の絶対値は電流最大値の増大と共に増加しており、特定の数値からＰＭ堆積の有無を導くことは困難である。

他方、２．３ｋＶではまだ弱い放電が発生しており、この状態では電流最大値の変化によってマイナス電流積算値が変化しているが、放電は生じない低電圧である１．８ｋＶでは、図７に明示するように、電流最大値は増大してもマイナス電流積算値は変化しておらず、かつ、ＰＭ堆積がない場合にはマイナス電流積算値は高くて、ＰＭ堆積がある場合にはマイナス電流積算値は低くなった状態が明瞭に現れている。

従って、１．８ｋＶ又はこれに近い電圧の下で電流最大値を所定の範囲で変化させたときにマイナス電流積算値の絶対値が所定のレベルで変化がない場合は、そのレベルを検知することによってＰＭ堆積の有無を検知することができる。図６，７では１．８ｋＶでの測定結果を表示しているが、おおよそ２ｋＶ以下の電圧であると、マイナス電流積算値はＰＭの有無に関係なく一定の値をとると推測される。

(3).制御例
次に、ＰＭ有無の検知とこれに基づいた制御例を、図８に示すフローチャートに基づいて説明する。本例では、１．８ｋＶを検知電圧Ｖ０として設定し、ＰＭ堆積がないマイナス電流積算値絶対値については、ばらつきを考慮した下限値をＹ１に設定している。他方、ＰＭ堆積量が増加するほどマイナス電流積算値絶対値がＹ１より小さくなる。

ＰＭの発生は特に暖機運転時に問題になるので、プラズマリアクタ本体１の制御はエンジンの始動と同時にスタートする。そして、図２（Ｃ）や図３（Ｂ）を基にして予め作成されたマップに基づいて、予め設定した強さの電流・電圧で電極７，８間に放電電圧が印加される（ステップ１）。すなわち、プラズマリアクタ本体１は通常稼働状態になる。

そして、通常稼働状態になってから所定時間ごと（ステップ２）に検知電圧Ｖ０を印加して電流最大値Ａを変化させ（ステップ３）、マイナス電流積算値の絶対値の検出値Ｙ（Ａ・ｓ）を検出し（ステップ４）、Ｙが閾値（基準値）として設定したＹ１（Ａ・ｓ）より小さいか否か（ステップ５）が判断される（Ｙの値に関係なく、所定時間が経過するごとに検知モードを実行することも可能である。）。

そして、ＹがＹ１より大きい場合にはＰＭ堆積はないと判断して通常稼働状態に戻る。他方、ＹがＹ１より小さい場合は、ＰＭの堆積があると判断して、電圧又は（及び）電流を高める等してＰＭの除去を行い、ステップ２にリターンする。

自動車がほぼ定速で走行していると共に、ＹがＹ１より大きい状態が維持されている場合は、ＰＭの発生が少ない運転状態にあると判断して、電流又は電圧を抑制することが可能である。負荷が大きいとＰＭは発生しやすいと考えられるので、スロットル開度が設定値以上に大きくなったら、強制的に検知モードに入ることも可能である。

上記制御において、ステップ２は所定時間経過と通常稼働時に放電が停止している条件と組み合わせて検知電圧（ステップ３）に変更しても良い。また、上記の例では、検知電圧Ｖ０は１つのみに設定したが、基準値Ｖ０を複数設定して、複数の基準値Ｖ０ごとにマイナス電流積算値を演算してＰＭ堆積の有無を検知することも可能である。このように複数の対比を行うと、ＰＭ堆積の有無の検知精度を向上できる。

また、ＰＭ堆積を判定するＹ１は、検知時の電流値のばらつきを考慮して、ＰＭ堆積がない状態でのマイナス電流積算値絶対値の下限値より小さい値に設定しても良い。閾値Ｙ１は、ＰＭ堆積がある領域の上限値を選択することも可能である（結局、閾値Ｙ１は、ＰＭ堆積がある場合の上限値と、ＰＭ堆積がない場合の下限値との間の任意の値に設定できるが、ばらつきを考慮して、ＰＭ堆積がある場合の上限値よりもある程度大きくて、ＰＭ堆積がない場合の下限値よりもある程度小さい値の範囲に設定したらよいと云える。）。

更に、検知電圧はセンサによる実測でなくてもよいのであり、例えば、昇圧電源に一次電圧が通電される時間などで検知電圧を推定することも可能である。電圧センサは、数ｋＶのような高圧用のものは高価になるが、このように印加電圧の値を推定値で代替すると、高価な電圧センサを不要にしてコストを抑制できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、ＥＧＲバルブの制御と連動させて、機関温度（冷却水温度）が設定値よりも低くてＥＧＲバルブの開度が設定値よりも小さい場合は、ＰＭ発生が多くなると予測して印加する電流又は電圧を高くし、その後に検知モードを実行するといったことも可能である。

本願発明は、排気ガス浄化用プラズマリアクタ装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ プラズマリアクタ本体
２ 排気管
３ ケーシング
４，５ 放電パネル
６ 放電ギャップ
７，８ 電極
１１ 制御部
１２ 検知部
１３ 電流センサ

Claims (1)

1. 排気ガスが流れるケーシング内に放電ギャップを介して多数枚の放電パネルが並列配置されているプラズマリアクタ本体と、前記放電パネル間の放電を制御する制御装置とを備えており、
   前記制御装置による放電の制御が、電極間を電流印加方向と逆向きに流れるマイナス電流の値を予め設定した所定時間にわたって積算したマイナス電流積算値に基づいて行われる構成であって、
   前記放電パネル間にプラズマが発生しない低い電圧を検知電圧として予め設定しておき、前記検知電圧の下で電流最大値を変化させてもマイナス電流積算値が殆ど変化しないときの当該マイナス電流積算値を検出値として、前記検出値が予め設定した基準値よりも大きい場合はＰＭ堆積はなくて前記基準値よりも小さい場合はＰＭ堆積があると判断して、前記プラズマリアクタ本体での放電が制御される、
   排気ガス浄化用プラズマリアクタ装置。

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