(57)【要約】【課題】放電ばらつきの原因となる放電の異常が発生した場合に、その異常を検出できる、放電異常検出装置を提供する。【解決手段】フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの電圧の印加が停止されると、一次コイルに蓄積されたエネルギが開放されて、二次コイルに二次電圧が発生し、その二次電圧がプラズマリアクタの電極間に印加される。フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの電圧の印加が停止されると、その停止からの経過時間の計測が開始される。その後、プラズマリアクタの電極に流れるリアクタ印加電流の最初のピーク値が取得される。そして、一次コイルへの電圧の印加の停止からリアクタ印加電流のピーク値が取得されるまでに経過した時間が所定時間以下である場合、プラズマリアクタにおける放電が異常であると判定される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライバック型昇圧トランスの二次電圧の印加により電極間に放電を生じるプラズマリアクタの放電異常検出装置であって、
前記フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの電圧の印加を停止した後、前記フライバック型昇圧トランスの二次コイルから前記プラズマリアクタに印加される電流が最初のピーク値をとるピークタイミングを取得するピークタイミング取得手段と、
前記一次コイルへの電圧の印加を停止したタイミングから前記ピークタイミング取得手段によってピークタイミングが取得されるまでの時間を計測する計時手段と、
前記計時手段によって計測された時間が所定時間以下である場合、前記プラズマリアクタにおける放電が異常であると判定する異常判定手段とを含む、放電異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマリアクタにおける放電の異常を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７５７７８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０３４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プラズマリアクタでは、通常、プラズマリアクタ用電源装置からプラズマリアクタの電極間に印加されるリアクタ印加電圧（プラズマリアクタ用電源装置が出力する二次電圧）が一定の放電開始電圧に達すると、電極パネル間の全体で均一に放電し始める。
【０００８】
ところが、電極パネルの表面にＰＭや異物が付着して、電極パネル間の間隔が局所的に狭まっていると、リアクタ印加電圧が通常の放電開始電圧よりも低いときから、その電極パネル間の間隔が狭まった部分で放電が開始する。リアクタ印加電圧が通常の放電開始電圧まで上昇すると、電極パネル間の全体で放電するが、電極パネル間で放電の強さに偏り（放電ばらつき）が生じる。放電ばらつきは、ＰＭ除去性能（ＰＭ除去率）の低下を招くため、プラズマリアクタでは、放電ばらつきの原因となる放電の異常が検出されることが望ましい。
【０００９】
本発明の目的は、放電ばらつきの原因となる放電の異常が発生した場合に、その異常を検出できる、放電異常検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明に係るプラズマリアクタの放電異常検出装置は、フライバック型昇圧トランスの二次電圧の印加により電極間に放電を生じるプラズマリアクタの放電異常検出装置であって、フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの電圧の印加を停止した後、フライバック型昇圧トランスの二次コイルからプラズマリアクタに印加される電流が最初のピーク値をとるピークタイミングを取得するピークタイミング取得手段と、一次コイルへの電圧の印加を停止したタイミングからピークタイミング取得手段によってピークタイミングが取得されるまでの時間を計測する計時手段と、計時手段によって計測された時間が所定時間以下である場合、前記プラズマリアクタにおける放電が異常であると判定する異常判定手段とを含む。
【００１１】
この構成によれば、フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの電圧の印加が停止されると、一次コイルに蓄積されたエネルギが開放されて、二次コイルに二次電圧が発生し、その二次電圧がプラズマリアクタの電極間に印加される。
【００１２】
フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの電圧の印加が停止されると、その停止からの経過時間の計測が開始される。その後、フライバック型昇圧トランスの二次コイルからプラズマリアクタに印加される電流が最初のピーク値をとるピークタイミングが取得される。そして、一次コイルへの電圧の印加の停止からピークタイミングが取得されるまでに経過した時間が所定時間以下である場合、プラズマリアクタにおける放電が異常であると判定される。
【００１３】
本願発明者らによる実験の結果、電流のピーク値が目標ピーク値と一致するように制御を実施した場合、リアクタの温度やリアクタに流入するガス密度などが変化しても、一次コイルへの電圧の印加の停止からリアクタに印加される電流のピークタイミングが取得されるまでの時間の差に変化は無い。ただし、電極間の全体で均一に放電し始める放電開始電圧よりも低いときから放電が開始されうる場合、つまり電極間で局所的に放電し始める場合、一次コイルへの電圧の印加の停止からリアクタに印加される電流のピークタイミングが取得されるまでの時間が早くなることが判った。
【００１４】
よって、フライバック型昇圧トランスの一次コイルへの電圧の印加の停止のタイミングからプラズマリアクタに印加される電流がピーク値をとるピークタイミングまでの時間が所定時間以下である場合に、プラズマリアクタにおける放電が異常であると判定されることにより、電極間での局所的な放電など、放電ばらつきの原因となる放電の異常が発生した場合に、その異常を検出することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、プラズマリアクタの電極間における局所的な放電など、放電ばらつきの原因となる放電の異常が発生した場合に、その異常を検出することができる。そのため、放電ばらつきによるＰＭ除去性能の低下を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】プラズマリアクタの構成を図解的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る放電異常検出装置が組み込まれ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。
【図３】電流ピークタイミング検出回路の構成を示す回路図である。
【図４】放電異常検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】リアクタ印加電圧、リアクタ印加電流、リアクタ印加電流の傾き、電流ピークタイミング信号およびタイマカウント値の時間変化の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
＜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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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）。
【００２３】
電極パネル４の電極６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。
【００２４】
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。
【００２５】
＜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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、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１の電極６間に印加される。
【００３４】
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。
【００３５】
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における最初のピーク値（以下、単に「最初のピーク値」という。）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、リアクタ印加電流の最初の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。
【００３６】
＜電流ピークタイミング検出回路＞
図３は、電流ピークタイミング検出回路４１の構成を示す回路図である。
【００３７】
電流ピークタイミング検出回路４１は、プラズマリアクタ１に印加されるプラズマ印加電流が最初にピーク値をとるタイミングを検出するためのアナログ回路である。電流ピークタイミング検出回路４１は、微分回路４２、反転増幅回路４３およびシュミット回路（ヒステリシスコンパレータ）４４を備えている。
【００３８】
微分回路４２には、電流センサ３１の検出信号（電圧）が入力され、微分回路４２からは、その入力電圧の時間微分（傾き）に比例した電圧が出力される。
【００３９】
反転増幅回路４３には、微分回路４２の出力電圧が入力され、反転増幅回路４３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。
【００４０】
シュミット回路４４には、反転増幅回路４３の出力電圧が入力される。その入力電圧が所定の基準電圧を超えると、シュミット回路４４からハイレベルの電圧が出力される。シュミット回路４４からハイレベルの電圧が出力されると、その後、シュミット回路４４に入力される電圧が０に低下するまでハイレベルの電圧が出力され続ける。シュミット回路４４に入力される電圧が０に低下すると、シュミット回路４４からローレベルの電圧が出力される。
【００４１】
＜放電異常検出処理＞
図４は、放電異常検出処理の流れを示すフローチャートである。図５は、リアクタ印加電圧、リアクタ印加電流、リアクタ印加電流の傾き、電流ピークタイミング信号およびタイマカウント値の時間変化の概略を示す図である。
【００４２】
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における放電の異常を検出するため、フライバック型昇圧トランス１１の一次コイル２１にパルス波状に変化する電圧（パルス印加電圧）の１パルスが入力される度に、図４に示される放電異常検出処理を実行する。
【００４３】
放電異常検出処理では、パルス印加電圧の立ち下がりエッジが検出される（ステップＳ１）。パルス印加電圧の立ち下がりエッジは、通電制御用ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートに印加されるパルス電圧（ゲート電圧）の立ち下がりエッジとほぼ一致するので、パルス印加電圧の立ち下がりエッジの検出に代えて、そのパルス電圧（ゲート電圧）の立ち下がりエッジが検出されてもよい。
【００４４】
パルス印加電圧の立ち下がりエッジが検出されると（ステップＳ１のＹＥＳ）。制御装置１４に設けられたタイマカウンタのカウントアップが開始される（ステップＳ２）。
【００４５】
パルス印加電圧が立ち下がると、つまりフライバック型昇圧トランス１１の一次コイル２１への電圧の印加が停止されると、二次コイル２２に二次電圧が発生し、プラズマリアクタ１の電極６間にリアクタ印加電圧が印加され、電極６に電流（リアクタ印加電流）が流れる。電極６に流れる電流の値が上昇し、電流ピークタイミング検出回路４１のシュミット回路４４に入力される電圧、つまりリアクタ印加電流の傾き（微分値）に比例した電圧が基準電圧を超えると、電流ピークタイミング信号としてシュミット回路４４から出力される電圧がローレベルからハイレベルに切り替わる。その後、リアクタ印加電流がピーク値をとり、リアクタ印加電流の傾きが０になると、電流ピークタイミング信号がハイレベルからローレベルに立ち下がる。
【００４６】
電流ピークタイミング信号の立ち下がりエッジが検出されるまで、タイマカウンタのカウントアップが継続される（ステップＳ２）。電流ピークタイミング信号の立ち下がりエッジが検出されると（ステップＳ３のＹＥＳ）、タイマカウンタのカウント値（タイマカウント値）が取得される（ステップＳ４）。
【００４７】
そして、その取得されたタイマカウント値が所定の判定値以下であるか否かが判定される（ステップＳ５）。
【００４８】
プラズマリアクタ１の電極パネル４の表面にＰＭや異物が付着して、電極パネル４間の間隔が局所的に狭まっている場合、リアクタ印加電圧が通常の放電開始電圧よりも低いときから、その電極パネル４間の間隔が狭まった部分で放電し始め、電極パネル４間の全体で均一に放電が開始する正常時と比較して、電流ピークタイミング信号の立ち下がりエッジが早く検出される。
【００４９】
プラズマリアクタ１における放電が正常なタイミングで開始した場合にタイマカウント値が判定値を超え、その放電が異常に早いタイミングで開始した場合にタイマカウント値が判定値以下となるように、判定値が設定されている。
【００５０】
電流ピークタイミング信号の立ち下がりエッジの検出時におけるタイマカウント値が判定値以下である場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、プラズマリアクタ１における放電が異常であると判定される（ステップＳ６）。
【００５１】
電流ピークタイミング信号の立ち下がりエッジの検出時におけるタイマカウント値が判定値を超えている場合（ステップＳ５のＮＯ）、プラズマリアクタ１における放電が正常であると判定される（ステップＳ６のスキップ）。
【００５２】
プラズマリアクタ１における放電の正常／異常が判定されると、タイマカウンタのカウント値が０にリセットされて（ステップＳ７）、放電異常検出処理が終了される。
【００５３】
＜作用効果＞
以上のように、フライバック型昇圧トランス１１の一次コイル２１への電圧の印加の停止からタイマカウンタのカウントアップが開始される。リアクタ印加電流が最初のピーク値をとると、タイマカウンタのカウントアップが停止され、そのタイマカウンタのカウント値が所定の判定値以下であるか否かが判定される。そして、タイマカウンタのカウント値が判定値以下である場合、プラズマリアクタ１における放電が異常であると判定される。これにより、電極パネル４間での局所的な放電など、放電ばらつきの原因となる放電の異常が発生した場合に、その異常を検出することができる。そのため、プラズマリアクタ１における放電ばらつきによるＰＭ除去性能の低下を未然に防止することができる。
【００５４】
＜変形例＞
以上、本発明の一実施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。
【００５５】
たとえば、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。
【００５６】
また、前述の実施形態では、タイマカウンタのカウンタ値を異常判定に用いる構成を取り上げたが、たとえば、時間経過に伴って一定の割合で増加するアナログ電圧を異常判定に用いてもよい。
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
１    ：プラズマリアクタ
６    ：電極
１１  ：フライバック型昇圧トランス
１４  ：制御装置（放電異常検出装置、計時手段、異常判定手段）
２１  ：一次コイル
４１  ：電流ピークタイミング検出回路（ピークタイミング取得手段）
【図１】
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【図２】
2018018778.tif 000004
【図３】
2018018778.tif 000005
【図４】
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【図５】
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