(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマリアクタの電極に印加される印加電流の値を当該値が正の値をとる所定期間にわたって積算する電流積算手段と、
前記所定期間における前記印加電流のピーク値を取得するピーク値取得手段と、
前記電流積算手段による積算電流値が所定の積算異常判定値以上であるか、または、前記ピーク値取得手段によって取得されるピーク値が所定のピーク異常判定値以上である場合に、前記プラズマリアクタにおける異常放電の発生を判定する異常放電判定手段とを含み、
前記電極に印加される電圧を検出する電圧センサを備えていない、プラズマリアクタ用制御装置。
【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用いられる制御装置に関する。
【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（Particulate Matter：粒子状物質）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】
プラズマリアクタ用電源装置には、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２００２−１２９９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プラズマリアクタにおける放電を制御するため、制御装置により、たとえば、排ガスに含まれるＰＭの量およびプラズマリアクタの電極に印加される電圧値が取得される。そして、制御装置により、排ガスに含まれるＰＭの量に応じた目標電圧値が設定され、プラズマリアクタの電極間に印加される電圧値が目標電圧値に一致するように、スイッチング素子のオン／オフが制御される。
【０００８】
プラズマリアクタの電極に印加される電圧を検出する電圧センサを設けることにより、プラズマリアクタの電極に印加される電圧値を取得することができる。しかしながら、プラズマリアクタの電極間に印加される電圧は、数ｋＶ〜数十ｋＶの高電圧であり、そのような高電圧を検出可能な電圧センサは、その生産が技術的に難しく、たとえ生産できたとしても、高価になり、量産に不向きである。
【０００９】
そこで、出願人は、プラズマリアクタの電極に印加される電流を検出する電流センサを設けて、電流センサによって検出される電流値の積算値（積算電流値）からプラズマリアクタの電極に印加される電圧値を推定により取得する手法を先に提案している。
【００１０】
図６は、通常放電時にプラズマリアクタに印加される電流および電圧の波形を示すグラフである。図７は、異常放電時にプラズマリアクタに印加される電流および電圧の波形を示すグラフである。
【００１１】
プラズマリアクタ用電源装置のスイッチング素子がオンからオフに切り替えられて、電極パネル間で放電が正常に生じた場合（通常放電時）、図６に示されるように、プラズマリアクタの電極に印加される電流および電圧が変化する。一方、電極パネルに割れなどの欠陥が生じているために、プラズマリアクタ用電源装置のスイッチング素子がオンからオフに切り替えられた際に、電極パネル間で異常放電が生じた場合（異常放電時）、図７に示されるように、プラズマリアクタの電極に印加される電流および電圧が変化する。
【００１２】
プラズマリアクタの電極に印加される電圧値の推定のための電流値の積算期間を電圧値が最大電圧値となるまでの間（電流値が正の値をとる間）とする構成では、図６および図７にハッチングを付して示されるように、通常放電時と異常放電時とで積算電流値がほぼ同じになる。そのため、プラズマリアクタの電極に印加される電圧を検出する電圧センサを設けた構成では、その検出される電圧値から異常放電を判定することができるのに対し、プラズマリアクタの電極に印加される電流を検出する電流センサを設けた構成では、積算電流値から異常放電を判定することができない。
【００１３】
本発明の目的は、プラズマリアクタにおける異常放電の発生を判定できる、プラズマリアクタ用制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係るプラズマリアクタ用制御装置は、プラズマリアクタの電極に印加される印加電流の値を所定期間にわたって積算する電流積算手段と、所定期間における印加電流のピーク値を取得するピーク値取得手段と、電流積算手段による積算電流値が所定の積算異常判定値以上であるか、または、ピーク値取得手段によって取得されるピーク値が所定のピーク異常判定値以上である場合に、プラズマリアクタにおける異常放電の発生を判定する異常放電判定手段とを含む。
【００１５】
この構成によれば、プラズマリアクタの電極に印加される印加電流が検出されて、その電流の値が所定期間にわたって積算される。また、その所定期間における印加電流のピーク値が取得される。
【００１６】
積算電流値が所定の積算異常判定値以上であるか、または、ピーク値が所定のピーク異常判定値以上であるか、その少なくとも一方が成立する場合、プラズマリアクタに異常放電が生じたと判定される。具体的には、プラズマリアクタでの異常放電の発生により、通常放電時とは異なる積算電流値が得られ、その積算電流値が積算異常判定値以上である場合、その異常放電の発生が判定される。また、プラズマリアクタで異常放電が発生したにもかかわらず、積算電流値が通常放電時の積算電流値とほぼ変わらずに積算異常判定値未満であっても、異常放電により電極に流れる印加電流のピーク値がピーク異常判定値を超えた場合、その異常放電の発生が判定される。
【００１７】
よって、プラズマリアクタの電極に印加される電圧を検出する電圧センサを設けなくても、プラズマリアクタで異常放電が発生した場合に、その異常放電の発生を判定することができる。
【００１８】
印加電流のピーク値に代えて、印加電流の時間変化率が取得されてもよい。プラズマリアクタで異常放電が発生すると、プラズマリアクタの電極に流れる印加電流が急峻に変化する。とくに、印加電流がピーク値に達する直前の時間変化率が通常放電時と大きく異なる。そこで、印加電流の時間変化率が所定の変化率異常判定値を超えた場合、異常放電の発生が判定されてもよい。
【００１９】
すなわち、本発明の他の局面に係るプラズマリアクタ用制御装置は、プラズマリアクタの電極に印加される印加電流の値を所定期間にわたって積算する電流積算手段と、所定期間における印加電流の時間変化率を取得する変化率取得手段と、電流積算手段による積算電流値が所定の積算異常判定値以上であるか、または、変化率取得手段によって取得される時間変化率が所定の変化率異常判定値以上である場合に、プラズマリアクタにおける異常放電の発生を判定する異常放電判定手段とを含む。
【００２０】
この構成によっても、プラズマリアクタの電極に印加される電圧を検出する電圧センサを設けなくても、プラズマリアクタで異常放電が発生した場合に、その異常放電の発生を判定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、プラズマリアクタの電極に印加される電圧を検出する電圧センサを設けなくても、プラズマリアクタで異常放電が発生した場合に、その異常放電の発生を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】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】本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図４】電流積算・ピーク検出回路の構成を示す回路図である。
【図５】異常放電判定処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】通常放電時にプラズマリアクタに印加される電流および電圧の波形を示すグラフである。
【図７】異常放電時にプラズマリアクタに印加される電流および電圧の波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
＜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。
【００２５】
プラズマリアクタ１は、たとえば、車両のエンジン（図示せず）から排出される排ガスに含まれるＰＭを除去するために、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。
【００２６】
プラズマリアクタ１には、放電電極３，４が備えられている。放電電極３，４は、それぞれ排ガスの流れに沿う方向に延び、互いに間隔を空けて平行をなして交互に配置されている。放電電極３，４の材料としては、タングステンを例示することができる。また、放電電極３，４は、たとえば、それぞれ四角板状の誘電体５に内蔵されることにより、誘電体５とともに電極パネル６を構成している。電極パネル６間には、排ガスが流通可能な間隔が空けられている。誘電体５の材料としては、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）を例示することができる。
【００２７】
放電電極３，４間には、プラズマリアクタ用電源装置７から出力されるパルス波状の高電圧が印加される。プラズマリアクタ用電源装置７の出力電圧が放電電極３，４間に印加されることにより、電極パネル６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。プラズマの発生により、電極パネル６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。
【００２８】
＜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７の構成を示す回路図である。
【００２９】
プラズマリアクタ用電源装置７は、フライバック型昇圧トランス１１、通電制御用スイッチング素子１２およびゲートドライブ回路１３を備えている。
【００３０】
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。配線２３には、ヒューズ２４を介して、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、１２Ｖの直流電圧を出力する車載バッテリである。一次コイル２１の他端は、通電制御用スイッチング素子１２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、それぞれプラズマリアクタ１の放電電極３，４に接続されている。
【００３１】
通電制御用スイッチング素子１２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。
【００３２】
ゲートドライブ回路１３は、通電制御用スイッチング素子１２をオン／オフするための信号（ゲート信号）を出力する回路である。
【００３３】
＜プラズマリアクタ用制御装置＞
プラズマリアクタ用電源装置７からプラズマリアクタ１に供給される電力を制御するため、プラズマリアクタ用制御装置３１がプラズマリアクタ用電源装置７に接続されている。
【００３４】
プラズマリアクタ用制御装置３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ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。プラズマリアクタ用制御装置３１には、電流センサ３２が接続されている。電流センサ３２は、プラズマリアクタ１の放電電極３，４に印加される印加電流、つまりプラズマリアクタ用電源装置７から出力される印加電流を検出し、その電流値に応じた信号を出力する。
【００３５】
プラズマリアクタ用制御装置３１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からの信号の出力／停止を切り替える。すなわち、プラズマリアクタ用制御装置３１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から信号が出力され、その信号が通電制御用スイッチング素子１２に入力されることにより、通電制御用スイッチング素子１２がオンになる。プラズマリアクタ用制御装置３１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からの信号の出力が停止され、通電制御用スイッチング素子１２のゲートへの信号の入力がなくなることにより、通電制御用スイッチング素子１２がオフになる。
【００３６】
通電制御用スイッチング素子１２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に電流が流れ、一次コイル２１にエネルギが蓄積される。その後、通電制御用スイッチング素子１２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。通電制御用スイッチング素子１２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の放電電極３，４間に印加される。
【００３７】
図３は、本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用制御装置３１の機能的な構成を示すブロック図である。
【００３８】
プラズマリアクタ用制御装置３１は、電流積算・ピーク検出回路４１、印加電圧推定部４２、目標電圧設定部４３、減算部４４、信号出力部４５および異常放電判定部４６を備えている。
【００３９】
図４は、電流積算・ピーク検出回路４１の構成を示す回路図である。
【００４０】
電流積算・ピーク検出回路４１は、電流センサ３２によって検出される印加電流の電流値を積算して積算電流値を出力する電流積算回路５１と印加電流のピーク値（最大値）であるピーク電流値を検出するピーク検出回路５２とが並列に設けられた構成のアナログ回路である。
【００４１】
電流積算回路５１には、印加電流の電流値を時間積分する積分回路５３と、積分回路５３の出力を増幅してその極性を反転する反転増幅器５４と、反転増幅器５４の出力の最大値を保持して出力するピークホールド・リセット回路５５とが含まれる。
【００４２】
積分回路５３は、バンドパスフィルタと同様の回路構成を有している。
【００４３】
反転増幅器５４は、広く知られた構成のものであり、オペアンプの「＋」端子には、バイアス電流の影響を排除するための抵抗が接続されている。
【００４４】
ピークホールド・リセット回路５５は、一般的なピークホールド回路とリセット回路とを組み合わせたものである。反転増幅器５４からの入力がピークホールド回路のホールドコンデンサの電圧よりも大きいときには、ホールドコンデンサが充電される。一方、反転増幅器５４からの入力がホールドコンデンサの電圧以下であるときには、ホールドコンデンサの電圧が保持（ホールド）される。ピークホールド・リセット回路５５（ピークホールド回路）からは、ホールドコンデンサの電圧（反転増幅器５４からの入力）がインピーダンス変換されて出力される。リセット回路は、ホールドコンデンサと並列に設けられるリセットスイッチをオン／オフする回路である。リセット回路にリセット信号が入力されると、リセット回路からリセットスイッチに信号が入力されて、リセットスイッチがオンになる。リセットスイッチのオンにより、ホールドコンデンサに蓄積された電荷が開放（放電）される。
【００４５】
ピーク検出回路５２には、印加電流の電流値の高周波成分を通過させるハイパスフィルタ回路５６と、ハイパスフィルタ回路５６の出力を増幅してその極性を反転する反転増幅器５７と、反転増幅器５７の出力の最大値を保持して出力するピークホールド・リセット回路５８とが含まれる。
【００４６】
ハイパスフィルタ回路５６は、微分回路と同様の回路構成を有している。
【００４７】
反転増幅器５７は、広く知られた構成のものであり、「＋」端子には、バイアス電流の影響を排除するための抵抗が接続されている。
【００４８】
ピークホールド・リセット回路５８は、一般的なピークホールド回路とリセット回路とを組み合わせたものである。反転増幅器５７からの入力がピークホールド回路のホールドコンデンサの電圧よりも大きいときには、ホールドコンデンサが充電される。一方、反転増幅器５７からの入力がホールドコンデンサの電圧以下であるときには、ホールドコンデンサの電圧が保持（ホールド）される。ピークホールド・リセット回路５８（ピークホールド回路）からは、ホールドコンデンサの電圧（反転増幅器５７からの入力）がインピーダンス変換されて出力される。リセット回路は、ホールドコンデンサと並列に設けられるリセットスイッチをオン／オフする回路である。リセット回路にリセット信号が入力されると、リセット回路からリセットスイッチに信号が入力されて、リセットスイッチがオンになる。リセットスイッチのオンにより、ホールドコンデンサに蓄積された電荷が開放（放電）される。
【００４９】
なお、ピークホールド・リセット回路５５，５８の各リセット回路には、プラズマリアクタ用制御装置３１からゲートドライブ回路１３（図２参照）へのオン指示信号が出力される度に、そのオン指示信号の出力からオフ指示信号の出力までの期間内に、リセット信号が入力される。これにより、電流積算回路５１は、プラズマリアクタ用電源装置７からパルス波状の二次電圧が１パルス出力される度に、印加電流値が正の値をとる期間の積算電流値を出力する。また、ピーク検出回路５２は、印加電流値が正の値をとる期間におけるピーク電流値を出力する。
【００５０】
印加電圧推定部４２には、図３に示されるように、電流積算・ピーク検出回路４１（電流積算回路５１）から積算電流値が入力される。プラズマリアクタ用制御装置３１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、積算電流値と印加電圧値との関係が２次元マップの形態で記憶されている。印加電圧推定部４２は、その関係に基づいて、電流積算・ピーク検出回路４１から入力される積算電流値に対応する印加電圧値を取得し、当該印加電圧値を放電電極３，４間に印加されている印加電圧値として推定する。
【００５１】
目標電圧設定部４３は、プラズマリアクタ１の放電電極３，４間に印加される印加電圧の目標値（目標電圧値）を設定する。具体的には、目標電圧設定部４３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。そして、目標電圧設定部４３は、その求めたＰＭ量に応じた目標電圧値を設定する。
【００５２】
減算部４４は、目標電圧設定部４３により設定される目標電圧値から印加電圧推定部４２により推定される印加電圧値を減算する。
【００５３】
信号出力部４５は、減算部４４により演算された減算値が０に近づくように、ゲートドライブ回路１３へのオン指示信号およびオフ指示信号の入力を制御し、通電制御用スイッチング素子１２のオン／オフを制御する。
【００５４】
異常放電判定部４６には、電流積算・ピーク検出回路４１から印加電流の積算電流値と印加電流のピーク電流値とが入力される。異常放電判定部４６は、電流積算・ピーク検出回路４１から入力される積算電流値およびピーク電流値に基づいて、プラズマリアクタ１における異常放電の発生を判定する。そして、異常放電が発生したと判定した場合には、プラズマリアクタ１における放電を停止させるか、または、放電の強さを低下させる指令を信号出力部４５に入力する。この場合、信号出力部４５は、異常放電判定部４６から指令に応じて、ゲートドライブ回路１３へのオン指示信号およびオフ指示信号の入力を制御し、通電制御用スイッチング素子１２のオン／オフを制御する。
【００５５】
＜異常放電判定処理＞
図５は、異常放電判定処理の流れを示すフローチャートである。
【００５６】
異常放電判定部４６は、プラズマリアクタ１における異常放電の発生を判定するため、図５に示される異常放電判定処理を実行する。
【００５７】
異常放電判定処理では、まず、電流積算・ピーク検出回路４１から入力される印加電流の積算電流値が予め設定された積算異常判定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ１）。
【００５８】
積算電流値が積算異常判定値以上でない場合、つまり積算電流値が積算異常判定値未満である場合（ステップＳ１のＮＯ）、次に、電流積算・ピーク検出回路４１から入力される印加電流のピーク電流値が予め設定されたピーク異常判定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ２）。
【００５９】
ピーク値がピーク異常判定値以上でない場合には（ステップＳ２のＮＯ）、印加電流の積算電流値が積算異常判定値以上であるか否かが再び判断される（ステップＳ１）。これにより、印加電流の積算電流値が積算異常判定値以上であるか否かの判断および印加電流のピーク電流値がピーク異常判定値以上であるか否かの判断は、それらの判断の一方が肯定されるまで繰り返される。
【００６０】
そして、電流積算・ピーク検出回路４１から積算異常判定値以上の積算電流値が入力されるか（ステップＳ１のＹＥＳ）、または、電流積算・ピーク検出回路４１からピーク異常判定値以上のピーク電流値が入力されると（ステップＳ２のＹＥＳ）、プラズマリアクタ１で異常放電が発生したと判定されて（ステップＳ３）、異常放電判定処理が終了される。
【００６１】
＜作用効果＞
以上のように、プラズマリアクタ用制御装置３１では、プラズマリアクタ１の放電電極３，４に印加される印加電流が検出されて、その電流の値が正の値をとる期間にわたって積算されることにより、積算電流値が取得される。また、印加電流値が正の値をとる期間における印加電流のピーク値であるピーク電流値が取得される。
【００６２】
積算電流値が所定の積算異常判定値以上であるか、または、ピーク電流値が所定のピーク異常判定値以上であるかの少なくとも一方が成立する場合、プラズマリアクタ１に異常放電が生じたと判定される。具体的には、プラズマリアクタ１での異常放電の発生により、通常放電時とは異なる積算電流値が得られ、その積算電流値が積算異常判定値以上である場合、その異常放電の発生が判定される。また、プラズマリアクタ１で異常放電が発生したにもかかわらず、積算電流値が通常放電時の積算電流値とほぼ変わらずに積算異常判定値未満であっても、異常放電により放電電極３，４に流れる印加電流のピーク電流値がピーク異常判定値を超えた場合、その異常放電の発生が判定される。
【００６３】
よって、プラズマリアクタ１の放電電極３，４に印加される電圧を検出する電圧センサを設けなくても、プラズマリアクタ１で異常放電が発生した場合に、その異常放電の発生を判定することができる。
【００６４】
＜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。
【００６５】
たとえば、印加電流のピーク電流値に代えて、印加電流の時間変化率が取得されてもよい。プラズマリアクタ１で異常放電が発生すると、プラズマリアクタ１の放電電極３，４に流れる印加電流が急峻に変化する。とくに、印加電流がピーク電流値に達する直前の時間変化率が通常放電時と大きく異なる。そこで、印加電流の時間変化率が所定の変化率異常判定値を超えた場合、異常放電の発生が判定されてもよい。
【００６６】
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】
【００６７】
１    プラズマリアクタ
３    放電電極（電極）
４    放電電極（電極）
３１  プラズマリアクタ用制御装置
３２  電流センサ
４６  異常放電判定部（異常放電判定手段）
５１  電流積算回路（電流積算手段）
５２  ピーク検出回路（ピーク値取得手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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