(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路にプラズマ発生装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、
排気中の水濃度及び排気温度を検出する検出手段と、
検出された排気中の水濃度と排気温度とに応じて該プラズマ装置を作動させる交流電圧の周波数又は電圧の少なくともいずれか一つを制御する制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、排気温度が室温から上昇するに従って、一旦該周波数又は電圧を低下させ、その後再び該周波数又は電圧を上昇させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
排気通路にプラズマ発生装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、
排気中の水濃度及び排気温度を検出する検出手段と、
検出された排気中の水濃度と排気温度とに応じて該プラズマ装置を作動させる交流電圧の周波数又は電圧の少なくともいずれか一つを制御する制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、排気中の水濃度に比例して該周波数又は電圧を低下させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
排気通路にプラズマ発生装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、
排気中の水濃度及び排気温度を検出する検出手段と、
検出された排気中の水濃度と排気温度とに応じて該プラズマ装置を作動させる交流電圧の周波数又は電圧の少なくともいずれか一つを制御する制御手段と、
を具備し、
該プラズマ発生装置を作動させる周波数及び電圧に応じて許容漏電電流値を設定し、該プラズマ発生装置の放電電流値が該許容漏電電流値を所定時間超えた場合に漏電異常と判断する診断手段を更に具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料の経済性の観点から、ガソリン機関において希薄燃焼（リーンバーン）機関が開発されるとともに、ディーゼル機関の適用範囲が拡大されつつある。ディーゼル機関や希薄燃焼ガソリン機関では、大きな空気過剰率の下で燃料が燃焼せしめられるため、不完全燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）の排出量が少ない反面、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯＸ（窒素酸化物）の排出量が多くなる。
【０００３】
このように比較的多量に生成される有害なＮＯＸの大気中への放出量を低減するために、機関排気系に吸蔵還元型ＮＯＸ触媒を配置することが知られている。吸蔵還元型ＮＯＸ触媒は、排気ガス中の酸素濃度が高いときにＮＯＸを硝酸塩の形態で吸収する一方、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸収したＮＯＸを放出するとともに、放出したＮＯＸを排気ガス中のＨＣやＣＯ等の還元成分によって還元浄化させるものである。このように、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒を備えた内燃機関では、酸素濃度が高い希薄燃焼の排気ガス中からＮＯＸを良好に吸収し、定期的なリッチ混合気燃焼運転（リッチスパイク運転）によって、排気ガス中の酸素濃度を低下させるとともに排気ガス中にＨＣやＣＯ等の還元成分を存在させ、吸収したＮＯＸを大気中に放出させることなく良好に還元・浄化することができる。
【０００４】
吸蔵還元型ＮＯＸ触媒によるＮＯＸ浄化率を向上させるためには、吸蔵されにくいＮＯを予めＮＯ２に酸化しておくことが有効である。そこで、特開平１１−３２４６５２号公報は、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒の上流にプラズマ発生装置を配置し、ＮＯをＮＯ２に変換させて吸蔵能力の向上を図った排気浄化装置を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コロナ放電によるプラズマの発生は、電極間の誘電率及び導電率に大きく影響される。一方、排気ガスの雰囲気は、運転中、常に変化している。したがって、同じ電圧及び周波数の交流電圧でプラズマ発生装置を作動させた場合、排気ガス中の水濃度や排気温度が変化すると、放電状態が変化する。すなわち、水分が減少すると放電ができなくなる一方、水分が増大するとアーク放電によりＮＯＸが生成される。その結果、エミッションの悪化、過電流による破損、等の予期しない状態に陥るおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気通路に配置されたプラズマ発生装置の作動状態を排気ガスの雰囲気に応じて最適に制御することにより、排気浄化効率の向上を図った内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の側面によれば、排気通路にプラズマ発生装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、排気中の水濃度及び排気温度を検出する検出手段と、検出された排気中の水濃度と排気温度とに応じて該プラズマ装置を作動させる交流電圧の周波数又は電圧の少なくともいずれか一つを制御する制御手段と、を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。前述のように、同じ電圧及び周波数の交流電圧でプラズマ発生装置を作動させると、排気ガス中の水濃度や排気温度が変化したときに、過電流による破損やＮＯＸの増加が起きてしまうが、この排気浄化装置においては、周波数と電圧を排気中の水濃度及び排気温度に応じて適切に調整することで最適な排気浄化が可能となる。
【０００８】
また、本発明の第二の側面によれば、好ましくは、前記制御手段は、排気温度が室温から上昇するに従って、一旦該周波数又は電圧を低下させ、その後再び該周波数又は電圧を上昇させる。水のイオン積は、室温に対して温度が上昇すると、一旦増加し、その後、３００°Ｃで徐々に減少し、３５０°Ｃ以上で急激に低下する。このため、同じ放電条件で放電を行うと、温度の上昇に伴って一旦放電電流が増し、その後急激に低下することになる。この排気浄化装置においては、排気温度に基づいて水分の解離度に応じた電圧又は周波数の制御が行われる。
【０００９】
また、本発明の第三の側面によれば、好ましくは、前記制御手段は、排気中の水濃度に比例して該周波数又は電圧を低下させる。排気中の水濃度が大きくなると、大きな放電電流が流れる傾向となるが、この排気浄化装置においては、周波数又は電圧が低下せしめられることで放電電流の増大が抑制される。
【００１０】
また、本発明の第四の側面によれば、好ましくは、該プラズマ発生装置を作動させる周波数及び電圧に応じて許容漏電電流値を設定し、該プラズマ発生装置の放電電流値が該許容漏電電流値を所定時間超えた場合に漏電異常と判断する診断手段が更に具備される。排気中の水濃度や排気温度により、放電電流値が変化するが、この排気浄化装置においては、水濃度や温度によって決定されたプラズマ発生装置の周波数や電圧に応じて放電電流値の許容値が可変とされることで、漏電異常が精度良く検出される。
【００１１】
また、本発明の第五の側面によれば、好ましくは、該プラズマ発生装置の下流に吸蔵還元型ＮＯＸ触媒が配置され、該プラズマ発生装置でＮＯのＮＯ２への酸化が行われる。
【００１２】
また、本発明の第六の側面によれば、好ましくは、該吸蔵還元型ＮＯＸ触媒がパティキュレートフィルタに担持され、該プラズマ発生装置で活性酸素の生成が行われる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す概略図である。符号１０は、ディーゼル機関又は希薄燃焼ガソリン機関の本体を示す。機関本体１０には、機関本体１０によって駆動される発電機１２が接続されている。発電機１２によって発生せしめられた電気は、バッテリ１４に蓄えられる。
【００１５】
機関本体１０から延在する排気通路２０には、二つの触媒が配置されている。下流側の触媒は吸蔵還元型ＮＯＸ触媒２２であり、上流側の触媒はスタート触媒２４である。そして、スタート触媒２４と吸蔵還元型ＮＯＸ触媒２２との間には、プラズマ発生装置２６が配置されている。
【００１６】
そのプラズマ発生装置２６には、プラズマ駆動回路２８から電力が供給される。プラズマ駆動回路２８は、バッテリ１４から供給される直流電圧を交流電圧へ変換するとともに、その周波数及び交流電圧値を調整してプラズマ発生装置２６への投入電力を変化させる。プラズマ発生装置２６の作動により、排気中のＮＯはＮＯ２へと酸化される。プラズマ発生装置２６の下流に配置された吸蔵還元型ＮＯＸ触媒２２においては、ＮＯよりもＮＯ２の方が吸蔵されやすいため、ＮＯＸの還元・浄化処理が促進される。
【００１７】
電子制御装置（ＥＣＵ）３０は、機関本体１０及びプラズマ駆動回路２８を制御するものであり、バッテリ１４から電力の供給を受けて作動する。電子制御装置３０は、機関本体１０の運転状態を検出するとともに、スタート触媒２４より上流側に設けられた空燃比（Ａ／Ｆ）センサ３２、プラズマ発生装置２６と吸蔵還元型ＮＯＸ触媒２２との間に設けられた排気温センサ３４等の各種センサの出力信号を受け取る。また、電子制御装置３０は、プラズマ発生装置２６の電極間に発生するコロナ放電の電流の大きさを、プラズマ駆動回路２８を介して検出する。
【００１８】
ところで、前述のように、コロナ放電によるプラズマの発生は、プラズマ発生装置２６の電極間の誘電率及び導電率に大きく影響される。排気ガスの誘電率及び導電率を最もよく反映するものは、水濃度及びその解離度である。
【００１９】
図２は、温度と水のイオン積との関係を示す特性図である。この図に示されるように、水のイオン積は、室温に対して温度が上昇してくると、一旦増加するが、その後、３００°Ｃで徐々に減少し、３５０°Ｃ以上で急激に低下する。したがって、機関暖機状態から同じ放電条件で放電を行わせると、放電電流は、温度の上昇に伴って一旦増加し、その後、急激に低下することとなる。そこで、本発明においては、排気の状態に応じてコロナ放電すなわちプラズマ発生の条件が制御される。
【００２０】
図３は、ＥＣＵ３０によって実行されるプラズマ制御の手順を示すフローチャートである。この制御は、所定の時間周期で実行される。まず、ステップ１０２では、排気温センサ３４及びＡ／Ｆセンサ３２の各出力からそれぞれ排気温度ＴＥ及び空燃比Ａ／Ｆが検出される。
【００２１】
次いで、ステップ１０４では、検出された空燃比Ａ／Ｆから排気中の水濃度ＣＷが推定される。すなわち、空燃比の逆数が排気中の水濃度を反映する値となることから、本実施形態においては、空燃比Ａ／Ｆの逆数をもって排気中の水濃度ＣＷと推定する。なお、排気通路に排気中の水濃度を検出するセンサを設け、直接に水濃度を検出してももちろんよい。
【００２２】
次いで、ステップ１０６では、検出された排気温度ＴＥと推定された排気の水濃度ＣＷとに応じて、プラズマ発生装置２６へ供給する交流電圧の周波数Ｆ及び電圧Ｖが決定される。この決定のために、図４に示されるような、排気温度ＴＥと排気の水濃度ＣＷとから周波数Ｆを求めるためのマップと、図５に示されるような、排気温度ＴＥと排気の水濃度ＣＷとから電圧Ｖを求めるためのマップとが予め準備されている。
【００２３】
図４のマップにおいては、ある一定の排気温度ＴＥに着目すると、図６に示されるように、排気の水濃度ＣＷが増大するにつれて周波数Ｆが減少するように設定されており、その結果、水濃度の増大に伴う放電電流の増大化傾向が補償されることとなる。同様に、図５のマップにおいては、ある一定の排気温度ＴＥに着目すると、図７に示されるように、排気の水濃度ＣＷが増大するにつれて電圧Ｖが減少するように設定されており、その結果、やはり、水濃度の増大に伴う放電電流の増大化傾向が補償されることとなる。
【００２４】
また、図４のマップにおいては、ある一定の排気の水濃度ＣＷに着目すると、図８に示されるように、排気温度ＴＥが増大するにつれて周波数Ｆが初めは減少しその後増大するように設定されており、その結果、図２に関して説明した特性が補償されることとなる。同様に、図５のマップにおいては、ある一定の排気の水濃度ＣＷに着目すると、図９に示されるように、排気温度ＴＥが増大するにつれて電圧Ｖが初めは減少しその後増大するように設定されており、その結果、やはり、図２に関して説明した特性が補償されることとなる。
【００２５】
なお、本実施形態においては、排気温度ＴＥと排気の水濃度ＣＷとから、プラズマ発生装置２６へ供給する交流電圧の周波数Ｆ及び電圧Ｖの双方を調整するようにしているが、周波数Ｆ又は電圧Ｖのいずれか一方のみを調整するようにしてもよい。
【００２６】
ステップ１０８以降では、漏電異常の有無を判断するための診断処理が行われる。上述のように、排気温度と排気中の水濃度とにより周波数及び電圧を変化させているため、一定の許容漏電電流値を設定することは困難である。そこで、本実施形態では、排気温度ＴＥ及び排気中の水濃度ＣＷによって決定されたプラズマ発生装置の周波数Ｆ及び電圧Ｖに応じて許容漏電電流値ＩＡが設定される。
【００２７】
すなわち、ステップ１０８では、ステップ１０６で決定された周波数Ｆ及び電圧Ｖに基づいて、図１０に示される如きマップを参照して補間演算することにより、許容漏電電流値ＩＡが決定される。図１０のマップでは、周波数Ｆが大きくなるにつれて、及び、電圧Ｖが大きくなるにつれて、許容漏電電流値ＩＡは大きくされている。
【００２８】
次いで、ステップ１１０では、プラズマ発生装置２６に供給される交流電圧の周波数及び電圧がＦ及びＶに設定された状態での放電電流の値Ｉを計測する。次いで、ステップ１１２では、放電電流値Ｉが許容漏電電流値ＩＡを超えているか否かを判定する。Ｉ≦ＩＡのときには、ステップ１１４に進み、ＩＡ＜Ｉの状態の継続時間を計測するためのタイマをリセットして、本ルーチンを終了する。
【００２９】
一方、ＩＡ＜Ｉのときには、ステップ１１６に進み、前述のタイマが既にオンされているか否かを判定する。タイマが未だオンされていないときには、ステップ１１８に進み、タイマをオンする。一方、タイマが既にオンされているときには、ステップ１２０に進み、タイマによる計測時間が所定時間を超えているか否かを判定する。所定時間が経過していないときには、本ルーチンを終了する一方、所定時間が経過しているときには、ステップ１２２に進み、異常を報知するための異常フラグをオンにしてから本ルーチンを終了する。かくして、プラズマ発生装置の放電電流値が許容漏電電流値を所定時間超えた場合に漏電異常と判断され報知される。
【００３０】
なお、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒は、微粒子物質を捕集可能なフィルタであるパティキュレートフィルタに担持されるように構成されてもよい。すなわち、ディーゼル機関では、パティキュレート（微粒子）の排出量が多くなるが、燃焼の改善のみでは十分にパティキュレートを低減することができないため、後処理として排気系にパティキュレートをトラップ（捕集）するフィルタが設けられる場合がある。かかる場合には、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒をそのパティキュレートフィルタに担持させることが可能である。そのときには、プラズマ発生装置２６の作用で生成された活性酸素は、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの燃焼を促進する効果を奏することとなる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、排気通路に配置されたプラズマ発生装置の作動状態が排気ガスの雰囲気に応じて最適に制御されることにより、排気浄化効率の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】温度と水のイオン積との関係を示す特性図である。
【図３】電子制御装置によって実行されるプラズマ制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】排気温度ＴＥと排気の水濃度ＣＷとから周波数Ｆを決定するためのマップを示す図である。
【図５】排気温度ＴＥと排気の水濃度ＣＷとから電圧Ｖを決定するためのマップを示す図である。
【図６】一定の排気温度ＴＥの下での、排気の水濃度ＣＷと周波数Ｆとの関係を示す図である。
【図７】一定の排気温度ＴＥの下での、排気の水濃度ＣＷと電圧Ｖとの関係を示す図である。
【図８】一定の排気の水濃度ＣＷの下での、排気温度ＴＥと周波数Ｆとの関係を示す図である。
【図９】一定の排気の水濃度ＣＷの下での、排気温度ＴＥと電圧Ｖとの関係を示す図である。
【図１０】プラズマ発生装置に供給する交流電圧の周波数Ｆと電圧Ｖとから許容漏電電流値ＩＡを決定するためのマップを示す図である。
【符号の説明】
１０…内燃機関本体
１２…発電機
１４…バッテリ
２０…排気通路
２２…吸蔵還元型ＮＯＸ触媒
２４…スタート触媒
２６…プラズマ発生装置
２８…プラズマ駆動回路
３０…電子制御装置（ＥＣＵ）
３２…空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
３４…排気温センサ
【図１】
0003551156.tif 000002
【図２】
0003551156.tif 000003
【図３】
0003551156.tif 000004
【図４】
0003551156.tif 000005
【図５】
0003551156.tif 000006
【図６】
0003551156.tif 000007
【図７】
0003551156.tif 000008
【図８】
0003551156.tif 000009
【図９】
0003551156.tif 000010
【図１０】
0003551156.tif 000011