(57)【要約】【課題】  プラズマ発生装置を利用する場合の著しい電力消費を抑制する。【解決手段】  排気熱／電気変換装置としての熱発電装置６０により、排ガスの熱エネルギを電力に変換し、プラズマ発生装置（浄化容器１０）に電力を供給するので、プラズマ発生装置を利用する場合の著しい電力消費を、排気エネルギの有効利用により抑制できる。【選択図】図１
2005106021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排ガス通路中に配置された複数の電極間に高電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生装置により排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
前記排ガスの熱エネルギを電力に変換する排気熱／電気変換装置を更に備え、
前記排気熱／電気変換装置からの電力により前記プラズマ発生装置を動作させることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記排気熱／電気変換装置は熱発電素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記排気熱／電気変換装置はタービンおよび該タービンと機械的に結合された発電機を含むことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排気熱／電気変換装置からの電力を貯蔵する補助バッテリを更に備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧の印加により発生させたプラズマを用いて内燃機関の排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排ガスを浄化するための技術として、近年、複数の電極間に高電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生装置（プラズマリアクタ）を利用し、発生したプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置が提案されている。例えば特許文献１は、バッテリから供給される直流電圧を、高圧電源発生部を用いて高圧交流電圧に変換し、この高圧交流電圧をプラズマ発生装置に印加する排気浄化装置を開示している。
【０００３】
この装置では、排ガス中のＨＣやＣＯは、電極間への高電圧の印加により発生されたプラズマのエネルギによりラジカル（フリーラジカル、遊離基）状態にされ、ＨＣはＨ２ＯとＣＯ２に変化し、ＣはＣＯ２に変化して無害化される。この種の装置は、低温時でも高い浄化性能が得られ、また貴金属の使用量を減少できる可能性があるため、旧来の触媒装置を補完または代替しうるものとして注目されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２９９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、プラズマを利用するこの種の装置は大きな電力を必要とするため、バッテリの消耗が甚だしく、又バッテリの充電のために内燃機関の機械エネルギが利用されるため、それだけ燃料消費量および排ガス量が増えて浄化装置の効果を減殺することにもなりかねない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、プラズマ発生装置を利用する場合の著しい電力消費を抑制できる手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明は、内燃機関の排ガス通路中に配置された複数の電極間に高電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生装置により排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、前記排ガスの熱エネルギを電力に変換する排気熱／電気変換装置を更に備え、前記排気熱／電気変換装置からの電力により前記プラズマ発生装置を動作させることを特徴とする排ガス浄化装置である。
【０００８】
第１の本発明では、排気熱／電気変換装置により排ガスの熱エネルギを電力に変換し、プラズマ発生装置に電力を供給するので、プラズマ発生装置を利用する場合の著しい電力消費を、排気エネルギの有効利用により抑制できる。とくに、内燃機関が活発に運転されプラズマ発生装置の動作の必要性が高いときには、一方で多くの排気エネルギを利用できると考えられるため、排気エネルギをプラズマ発生装置の動力源として利用するのは合理的である。
【０００９】
本発明における排気熱／電気変換装置には、第２の本発明のように熱発電素子を利用したり、第３の本発明のようにタービンおよび該タービンと機械的に結合された発電機を利用するのが特に好適である。
【００１０】
本発明において排気熱／電気変換装置から供給される電力は、内燃機関を始動するための主バッテリに貯蔵してもよいが、第４の本発明のように主バッテリとは別途の補助バッテリに貯蔵することとすれば、大容量の主バッテリを用いる必要がなく有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。図１において、第１実施形態の排ガス浄化装置１は、車両に適用されるものであり、エンジン２の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、エンジン２の排気経路に組み込まれた浄化容器１０を含んで構成されている。
【００１２】
浄化容器１０は、金属等の耐熱導電性材料により概ね円筒形に形成されている。浄化容器１０の内部には、エンジン２の燃焼室から排出される排ガスが導入され、内部で浄化された排ガスは外部に排出されることになる。
【００１３】
浄化容器１０の内側に、略円柱形のハニカム構造体１１が配置されている。このハニカム構造体１１は、炭化珪素の多孔質焼結体からなる周知のハニカムフィルタであり、断面略正方形状の多数のセルがその軸線方向に沿って規則的に形成され、各セルは薄いセル壁によって互いに仕切られている。各セルはその前端部と後端部とで開放しており、これにより浄化容器１０内の上流側と下流側とを連通させている。セル壁の表面には、白金族元素（例えばＰｔ等）やバナジウム、銅、マンガン、アルミナなどの金属元素及び金属酸化物等からなる酸化触媒が担持されている。
【００１４】
このハニカム構造体１１の上流側から、中心電極１２がハニカム構造体１１の中心軸線の方向に延び、ハニカム構造体１１を貫通している。ハニカム構造体１１の外周には、導体からなる外周電極１３が設けられている。本実施形態ではハニカム構造体１１・中心電極１２および外周電極１３からプラズマリアクタが構成されており、中心電極１２と外周電極１３とには、外周電極１３を陽極とすると共に中心電極１２を陰極として、高電圧電源ユニット２０から高電圧が印加される。これにより中心電極１２と外周電極１３との間にプラズマを発生させることが可能となり、発生したプラズマのエネルギを利用して、内燃機関からの排ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった成分やパーティキュレート物質等を、排ガス中の酸素と反応させて浄化したり、着火させて焼却したりすることが可能となる。
【００１５】
中心電極１２および外周電極１３に対して高電圧を印加するための高電圧電源ユニット２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１、インバータ駆動回路２２、インバータ回路２３、トランス２４、スイッチング回路２５および不図示の整流用ダイオード等を含んで構成されている。また高電圧電源ユニット２０は、直流電源である補助バッテリ３０に接続されている。本実施形態では補助バッテリ３０は、エンジン２の始動のための主バッテリ４２とは別途に、かつエアコン等の補機類に給電するための既存の補機バッテリ（不図示）とは別途に設けられている。
【００１６】
他方、エンジン２には、点火制御装置４０およびスタータモータ４１を介して主バッテリ４２が接続されている。主バッテリ４２が点火制御装置４０およびスタータモータ４１に給電し、これによってエンジン２が運転される。
【００１７】
エンジン２の排気経路中の排気管５０には、熱発電装置６０が固定されている。熱発電装置６０は、ゼーベック効果を利用した発電装置である熱起電力発生ユニット６０ａを多数備えている。熱起電力発生ユニット６０ａは、図２に示されるように、多数のｎ型半導体６１ｎおよびｐ型半導体６１ｐを交互に配列し、ｎ型半導体６１ｎの上端をこれと隣接するｐ型半導体６１ｐの上端に結合電極６２で結合し、またｎ型半導体６１ｎの下端を、これと逆側に隣接するｐ型半導体６１ｐの下端に結合電極６３で結合してなるものである。結合電極６２，６３の外側には、それぞれ冷接点基板６４および温接点基板６５が接合されている。この熱起電力発生ユニット６０ａでは、結合電極６２，６３間に温度差が存在すると、これら結合電極６２，６３間に電位Ｖが発生するため、この熱発電装置６０を多数連結することにより、発電電力の大きな発電装置を形成することができる。なお、本実施形態では熱発電装置６０をエンジン２と浄化容器１０との間に設けたが、熱発電装置６０は浄化容器１０の下流側に設けてもよい。
【００１８】
図３に示されるように、熱発電装置６０は、排気管５０の外周面に固定された温接点側リング６６と、その外周を覆う冷接点側リング６７と、これらリング６６，６７の間に組み込まれた多数の熱起電力発生ユニット６０ａからなるものである。温接点側リング６６には熱起電力発生ユニット６０ａの温接点基板６５が、また冷接点側リング６７には冷接点基板６４が接している。
【００１９】
冷接点側リング６７には、エンジン２からの冷却水を循環させ冷接点側リング６７を低温に保つために、水ジャケット６７ａが設けられている。なお、温接点側リング６６には、熱起電力発生ユニット６０ａの動作可能温度を上回る場合にこれを冷却するための冷却手段（例えば水ジャケット）、あるいは熱起電力発生ユニット６０ａへの熱伝導を遮断するための熱伝導遮断手段（例えばバイメタル等の形状記憶部材を利用した浮動機構）を設けてもよい。
【００２０】
再び図１において、電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）４０は、図示されないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含んで構成されている。ＥＣＵ４０の入出力ポートには、点火制御装置４０、エンジン２に設けられた各種センサおよびアクチュエータのほか、高電圧電源ユニット２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２１、インバータ駆動回路２２、スイッチング回路２５、熱発電装置６０に設けられた電圧センサ（不図示）、および補助バッテリ３０の充電状態を検出するＳＯＣ（State Of Charge）センサ（不図示）が接続されている。
【００２１】
ＥＣＵ４０は、所定の制御プログラム等に従ってエンジン２の運転のための必要な演算処理を行うと共に、各種のセンサ類からのエンジン２の状態を示す信号に基づいて、高電圧電源ユニット２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２１、インバータ駆動回路２２およびスイッチング回路２５に対する制御出力が行われる。インバータ駆動回路２２は、インバータ２３を駆動するための駆動パルス信号（ゲート信号）や、高電圧電源ユニット２０から中心電極１２および外周電極１３に印加する電圧値を指示するための電圧指示信号を生成する。インバータ駆動回路２２から駆動パルス信号や電圧指示信号が与えられると、補助バッテリ３０からの直流電圧がインバータ回路２３によって交流電圧に変換される。そして、インバータ回路２３からトランス２４に加えられた交流電圧は、トランス２４によって昇圧されると共に不図示のダイオードにより整流され、これにより、中心電極１２と外周電極１３とに直流パルス電圧が印加されることになる。
【００２２】
以上のとおり構成された第１実施形態の動作について、以下に説明する。いま、車両を始動させるべく、ユーザによってイグニッションスイッチがオンされると、ＥＣＵ４０は、電源ＯＮ信号を高電圧電源ユニット２０に与えて、高電圧電源ユニット２０の作動を開始させる。また高電圧電源ユニット２０の始動後には、熱発電装置６０に設けられた電圧センサからの電圧値、補助バッテリ３０の充電状態を検出するＳＯＣセンサからの充電状態に基づいて、ＥＣＵ４０において電源選択処理が行われ、その選択結果がスイッチング回路２５に制御出力され、スイッチング回路２５の切替えが行われる。ここでは、例えばエンジン２の始動直後の所定時間内で熱発電装置６０の動作が十分でないと推定できる場合には、補助バッテリ３０が電源として選択される。また、エンジン２の運転状態に応じたＥＣＵ４０の制御出力に基づきインバータ駆動回路２２が駆動パルス信号と電圧指示信号とを生成し、インバータ回路２３に与える。これに応答して、補助バッテリ３０の電力により、中心電極１２と外周電極１３とに直流パルス電圧が印加される。
【００２３】
この直流パルス電圧の印加に伴い、中心電極１２と外周電極１３との間に電界が形成される。中心電極１２からの放電により、浄化容器１０内に供給された排ガス中のＰＭが帯電され、内部電極とは逆極性のハニカム構造体１１のセル表面にトラップされる。このＰＭは、放電に伴って発生する熱によって酸化ないし燃焼され、ＣＯ２などに無害化される。すなわち、排ガス中の捕集されているＰＭは排ガス内の酸素やＮを基にＨＣ酸化物と反応し、ＣＯ２ガスとして放出される（Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２）。また、内燃機関からの排ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘは、プラズマのエネルギにより排ガス中の酸素と反応してＮ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏなどへと無害化され、また着火により焼却されることが可能となる。
【００２４】
他方、エンジン２の運転により排気管５０の温度が上昇すると、温接点側リング６６の温度が上昇し、水ジャケット６７ａにより低温に保たれている冷接点側リング６７との間に温度差が生じる。これによって、熱発電装置６０の熱起電力発生ユニット６０ａによって排気中の熱エネルギの電気エネルギへの変換、すなわち発電が行われる。熱発電装置６０に設けられた電圧センサからの電圧値が所定の閾値を上回った場合には、ＥＣＵ４０による電源選択処理において熱発電装置６０が電源として選択され、その選択結果がスイッチング回路２５に制御出力され、スイッチング回路２５による接続が熱発電装置６０側に切替えられる。このようにして、熱発電装置６０からの電力が高電圧電源ユニット２０を介して浄化容器１０側に供給される。また熱発電装置６０からの余剰の電力は、補助バッテリ３０に充電される。
【００２５】
以上のように、第１実施形態では、排気熱／電気変換装置としての熱発電装置６０により排気エネルギを電力に変換し、プラズマ発生装置に電力を供給するので、プラズマ発生装置を利用する場合の著しい電力消費を、排気エネルギの有効利用により抑制できる。とくに、エンジン２が活発に運転されプラズマ発生装置の動作の必要性が高いときには、その一方で多くの排気エネルギを利用できると考えられるため、排気エネルギをプラズマ発生装置の動力源として利用するのは合理的である。また、熱圧電装置６０によって熱エネルギを回収するため、その後段の排気経路中に触媒装置（不図示）を設置する場合には、触媒の過熱による焼損・劣化や浄化性能低下を未然に防止できる可能性がある。
【００２６】
また第１実施形態では、熱発電装置６０からの電力を、主バッテリ４２とは別途に設けられた補助バッテリ３０に貯蔵することとしたので、大容量の主バッテリ４２を用いる必要がなく有利である。
【００２７】
次に、第２実施形態について説明する。図４に示される第２実施形態の排ガス浄化装置１０１は、上記第１実施形態における熱発電装置６０に代えて、タービン７０、発電機７１および整流回路７２を設けたことを特徴としている。
【００２８】
タービン７０は排気管５０の途中に設けられ、エンジン２からの排気流により駆動される。発電機７１は三相交流同期回転電機であり、その回転子はタービン７０の回転軸に直結されている。発電機７１からの三相交流は整流回路７２によって整流される。整流回路７２の出力側に設けられた電圧センサ（不図示）により、整流回路７２の出力電圧値がＥＣＵ１４０に入力され、後述のとおり処理される。なお、本実施形態ではタービン７０をエンジン２と浄化容器１０との間に設けたが、タービン７０は浄化容器１０の下流側に設けてもよい。また、第２実施形態の残余の構成は上記第１実施形態のものと同様であるため、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
以上のとおり構成された第２実施形態の動作について説明する。いま、車両を始動させるべく、ユーザによってイグニッションスイッチがオンされると、ＥＣＵ１４０は、電源ＯＮ信号を高電圧電源ユニット２０に与えて、高電圧電源ユニット２０の作動を開始させる。またＥＣＵ１４０では、高電圧電源ユニット２０の始動後に、整流回路７２に設けられた電圧センサからの電圧信号、補助バッテリ３０の充電状態を検出するＳＯＣセンサからの充電状態信号に基づいて電源選択処理が行われ、その選択結果がスイッチング回路２５に制御出力され、スイッチング回路２５の切替えが行われる。ここでは、例えばエンジン２が始動直後の所定時間内でタービン７０および発電機７１の動作が十分でないと推定される場合には、補助バッテリ３０が電源として選択される。また、エンジン２の運転状態に応じたＥＣＵ１４０の制御出力に基づきインバータ駆動回路２２が駆動パルス信号と電圧指示信号とを生成し、インバータ回路２３に与える。これに応答して、補助バッテリ３０の電力により、中心電極１２と外周電極１３とに直流パルス電圧が印加される。この直流パルス電圧の印加に伴い、中心電極１２と外周電極１３との間に電界が形成され、排ガス中のＰＭやＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘが上記第１実施形態と同様に処理される。
【００３０】
他方、エンジン２の運転に伴い、タービン７０および発電機７１による発電が行われる。整流回路７２に設けられた電圧センサからの電圧値が所定の閾値を上回った場合には、ＥＣＵ１４０による電源選択処理において発電機７１が電源として選択され、その選択結果がスイッチング回路２５に制御出力され、スイッチング回路２５による接続が整流回路７２側に切替えられる。このようにして、発電機７１からの電力が高電圧電源ユニット２０を介して浄化容器１０側に供給される。また発電機７１からの余剰の電力は、補助バッテリ３０に充電される。
【００３１】
以上のように、第２実施形態では、排気熱／電気変換装置としてのタービン７０および発電機７１により排ガスの熱エネルギを電力に変換し、プラズマ発生装置に電力を供給するので、上記第１実施形態と同様に、プラズマ発生装置を利用する場合の著しい電力消費を、排気エネルギの有効利用により抑制できる。
【００３２】
なお、上記各実施形態では、主バッテリ４２に加えてプラズマ発生装置の駆動のための専用の補助バッテリ３０を設けたが、本発明では専用の補助バッテリを用いずに排気熱／電気変換装置からの電力を走行のための主バッテリ４２に充電し、主バッテリ４２の電力によりプラズマ発生装置を駆動することとしてもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。ただし、上記各実施形態ではプラズマ発生装置の駆動のための専用の補助バッテリ３０を設けたので、プラズマ発生装置の運転が主バッテリ４２を著しく消耗させることがない上、排気処理に係る要素を他の要素から独立したユニットないしモジュールとして取り扱うことが可能となって設計上・製造上有利である。
【００３３】
また上記各実施形態では、プラズマ発生装置として円筒形の外周電極およびハニカムフィルタとこれらを貫通する棒状電極からなるものを用いたが、本発明におけるプラズマ発生装置としては平板状の電極を互いに平行に配置したもの等、従来公知の各種の構造のものを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態の排ガス浄化装置の概略を示すブロック図である。
【図２】熱起電力発生ユニットの要部を示す正面図である。
【図３】熱発電装置を示す断面図である。
【図４】第２実施形態の排ガス浄化装置の概略を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１０１        排ガス浄化装置
２            エンジン
１０            浄化容器
１１            ハニカム構造体
１２            中心電極
１３            外周電極
２０            高電圧電源ユニット
３０            補助バッテリ
４０，１４０        ＥＣＵ
４２            主バッテリ
５０            排気管
６０ａ            熱起電力発生ユニット
６０            熱発電装置
６６            温接点側リング
６７            冷接点側リング
７０            タービン
７１            発電機
【図１】
2005106021.tif 000003
【図２】
2005106021.tif 000004
【図３】
2005106021.tif 000005
【図４】
2005106021.tif 000006