(57)【要約】【課題】  高電圧により排ガスを処理する場合の著しい電力消費に対処できる新規な手段を提供する。【解決手段】  熱電変換装置３０により、排ガスの熱エネルギを電力に変換し、プラズマリアクタ１３に電力を供給する。熱電変換装置３０からの電力を貯蔵するキャパシタ２１と、該キャパシタ２１からの余剰電力を貯蔵するバッテリ２２とを備えたので、効果的に蓄電できる。【選択図】  図１
2005180355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排ガスの通路中に配置された複数の電極間に高電圧を印加する処理装置と、前記排ガスの熱エネルギを電力に変換する熱電変換装置と、を備え、前記熱電変換装置からの電力により前記処理装置を動作させる排ガス浄化システムであって、
前記熱電変換装置からの電力を貯蔵する第１蓄電装置と、
該第１蓄電装置からの余剰電力を貯蔵する第２蓄電装置と、を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化システム。
【請求項２】
請求項１に記載の排ガス浄化システムであって、
前記処理装置に対し、前記熱電変換装置の電力不足時に前記第１蓄電装置から電力を供給させ、前記第１蓄電装置の電力不足時に前記第２蓄電装置から電力を供給させる制御手段を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排ガス浄化システムであって、
前記熱電変換装置は熱発電素子を含むことを特徴とする排ガス浄化システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガス浄化システムであって、
前記熱電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排ガス浄化システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の排ガス浄化システムであって、
前記第１蓄電装置はキャパシタであることを特徴とする排ガス浄化システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の排ガス浄化システムであって、
前記第２蓄電装置はバッテリであることを特徴とする排ガス浄化システム。
【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内燃機関の排ガスを浄化する排ガス浄化システムに関する。
【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システムが提案されている。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、高電圧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、高電圧により排ガスを処理する場合の著しい電力消費に対処できる新規な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、内燃機関の排ガスの通路中に配置された複数の電極間に高電圧を印加する処理装置と、前記排ガスの熱エネルギを電力に変換する熱電変換装置と、を備え、前記熱電変換装置からの電力により前記処理装置を動作させる排ガス浄化システムであって、前記熱電変換装置からの電力を貯蔵する第１蓄電装置と、該第１蓄電装置からの余剰電力を貯蔵する第２蓄電装置と、を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化システムである。
【０００８】
第１の本発明では、熱電変換装置により排ガスの熱エネルギを電力に変換し、処理装置に電力を供給するので、処理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処理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、排気エネルギを処理装置の動力源として利用するのは合理的である。また第１の本発明では、熱電変換装置からの電力を貯蔵する第１蓄電装置と、該第１蓄電装置からの余剰電力を貯蔵する第２蓄電装置とを更に備えたので、効果的に蓄電することができる。
【０００９】
第２の本発明は、請求項１に記載の排ガス浄化システムであって、前記処理装置に対し、前記熱電変換装置の電力不足時に前記第１蓄電装置から電力を供給させ、前記第１蓄電装置の電力不足時に前記第２蓄電装置から電力を供給させる制御手段を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化システムである。  
第２の本発明では、処理装置への給電の安定性を高めることができる。
【００１０】
本発明における熱電変換装置には、第３の本発明のように熱発電素子を利用したり、第４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。
【００１１】
本発明における第１蓄電装置としては第５の本発明のようにキャパシタを用いるのが特に好適である。また、本発明における第２蓄電装置としては第６の本発明のようにバッテリを用いるのが特に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、本発明の実施形態の排ガス浄化システム１は、車両に適用されるものであり、不図示のエンジン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。
【００１３】
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の上流側は排気管Ｌ１に、また下流側は排気管Ｌ２に、それぞれ接続されている。これによって浄化容器１０の内部には、エンジンの燃焼室から排出される排ガスが矢印Ａの方向に導入され、内部で浄化された排ガスは排気管Ｌ２を経由して外部に排出されることになる。
【００１４】
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。ハニカム構造体１１の外周は、浄化容器１０と接しており、これによって浄化容器１０と導通している（なお図１では理解の容易のため、ハニカム構造体１１と浄化容器１０とを離して表示している。）。
【００１５】
ハニカム構造体１１の上流側には、ハニカム構造体１１の中心軸線の延長上に、中心電極１２が設置されている。中心電極１２は、碍子などからなる絶縁プラグ１２ａを介して、浄化容器１０に固定されている。本実施形態では浄化容器１０・ハニカム構造体１１および中心電極１２からプラズマリアクタ１３が構成されており、中心電極１２を陽極とすると共に浄化容器１０とハニカム構造体１１とを陰極として、高電圧電源ユニット２０から直流パルス状の高電圧が印加される。
【００１６】
浄化容器１０内におけるハニカム構造体１１の下流側には、熱電変換装置３０が設けられている。熱電変換装置３０は、ヒートシンク３１、熱電素子３２および水ジャケット３３から構成されている。略円柱形のヒートシンク３１は、浄化容器１０の内側に固定されている。ヒートシンク３１は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料から形成されており、その軸線方向に沿って規則的に形成された多数のフィンを有する。
【００１７】
浄化容器１０の外周面には、熱電素子３２および水ジャケット３３が、それぞれシート状の絶縁材（不図示）を介して固定されている。熱電素子３２は、ゼーベック効果を利用した発電装置であって、図２に示されるように、多数のｎ型半導体３４ｎおよびｐ型半導体３４ｐを交互に配列し、ｎ型半導体３４ｎの上端をその一方側に隣接するｐ型半導体３４ｐの上端に結合電極３５ａで結合し、またｎ型半導体３４ｎの下端を、その他方側に隣接するｐ型半導体３４ｐの下端に結合電極３５ｂで結合してなるものである。結合電極３５ａ，３５ｂの外側には、それぞれ冷接点基板３６ａおよび温接点基板３６ｂが接合されている。この熱電素子３２では、結合電極３５ａ，３５ｂ間に温度差が存在すると、これら結合電極３５ａ，３５ｂ間に電位Ｖが発生するため、この熱電素子３２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。そして、エンジンの運転により排気温度が上昇すると、ヒートシンク３１および温接点基板３６ｂの温度が上昇し、水ジャケット３３により低温に保たれている冷接点基板３６ａとの間に温度差が生じる。これによって、熱電素子３２におい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。
【００１８】
再び図１において、水ジャケット３３は、冷却水経路３７に接続されて冷却水が矢印Ｂの方向に供給されており、冷却水の循環に伴う冷却により水ジャケット３３とヒートシンク３１との間の温度差が生じることになる。
【００１９】
熱電素子３２は４個直列に電気的に接続され、それらの起電力の合計である熱電変換装置３０の出力電圧は、例えば最大９０Ｖとする。なお、本実施形態では熱電変換装置３０をハニカム構造体１１の下流側に設けたが、熱電変換装置３０は中心電極１２の上流側に設けてもよい。
【００２０】
中心電極１２およびハニカム構造体１１に対して高電圧を印加する高電圧電源ユニット２０は、インバータ回路、トランスおよび整流用ダイオード等を含んで構成されている。高電圧電源ユニット２０の出力端は、中心電極１２に接続されている。
【００２１】
熱電変換装置３０の高電圧側は、ダイオード４０を介して、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ１の高圧側と、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ３の低圧側とに分岐して接続されている。ＤＤＣ１の低電圧側は、キャパシタ２１、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ２およびバッテリ２２に直列に接続されている。ＤＤＣ３の高電圧側は高電圧電源ユニット２０の入力端に接続されている。
【００２２】
キャパシタ２１としては、例えば静電容量が１Ｆ程度の大容量コンデンサを用いるのが好適である。バッテリ２２としては、例えば出力が１４Ｖ程度の鉛蓄電池を用いるのが好適である。
【００２３】
ＤＤＣ１，ＤＤＣ２，ＤＤＣ３は、いずれも単一方向の変圧作用を行う同期整流チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータおよびこれをデューティ制御するためのＰＷＭコントローラを含んで構成されており、そのうちＤＤＣ１，ＤＤＣ２は、正逆双方向に（すなわち低電圧側から高電圧側への昇圧と、高電圧側から低電圧側への降圧の双方向に）動作するための正逆スイッチ回路を含んでいる。
【００２４】
システム全体を制御する電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）４０は、その詳細は図示しないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含んだワンチップマイクロプロセッサとして構成されている。ＥＣＵ４０の入出力ポートには、高電圧電源ユニット２０，ＤＤＣ１，ＤＤＣ２およびＤＤＣ３のほか、バッテリ２２の充電状態（State Of Charge；ＳＯＣ）を検出するバッテリＳＯＣセンサ４１、キャパシタ２１の充電状態を検出するキャパシタＳＯＣセンサ４２、熱電変換装置３０の端子電圧を検出する発電電圧センサ４３および電流を検出する電流センサ４４、エンジンのクランク軸に設けられたエンジン回転センサ４５などの各種センサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、そのＲＯＭに格納された所定の制御プログラム等に従ってシステムの運転のための必要な演算処理を行うと共に、各種センサからの各部の状態を示す信号に基づいて、高電圧電源ユニット２０、ＤＤＣ１，ＤＤＣ２およびＤＤＣ３に対する制御出力を行う。
【００２５】
以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。いま、エンジンの運転により熱電変換装置３０のヒートシンク３１の温度が上昇すると、温接点基板３６ｂの温度が上昇し、水ジャケット３７により低温に保たれている冷接点基板３６ａとの間に温度差が生じる。その結果、熱電変換装置３０の熱電素子３２によって発電が行われる。
【００２６】
熱電変換装置３０の出力電圧は、ＤＤＣ３によって最大１８０Ｖ程度に昇圧され、さらに排ガス流量などのエンジンの運転状態に応じたＥＣＵ４０の制御出力に基づき、高電圧電源ユニット２０によって１ｋＷ程度の直流パルス電圧に昇圧されて、プラズマリアクタ１３に印加される。このようにして、熱電変換装置３０からの電力が高電圧電源ユニット２０を介してプラズマリアクタ１３に供給される。
【００２７】
この直流パルス電圧の印加に伴い、中心電極１２と浄化容器１０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、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。
【００２８】
以上が本実施形態における基本的な動作であるが、プラズマリアクタ１３への給電方法は以下のようにキャパシタ２１やバッテリ２２の充電状態に応じて切替えられる。以下に説明する図３ないし図５に係る処理は、ＥＣＵ４０によって、例えば不図示のイグニッションスイッチがオンされている間にわたり所定時間おきに繰り返し実行される。
【００２９】
図３はバッテリ２２とキャパシタ２１との状態判別に係る処理を示す。まず、バッテリＳＯＣセンサ４１の検出値と所定の基準値との比較により、バッテリ２２が満充電かが判断される（Ｓ１０）。検出値が基準値を上回っている場合には、ＥＣＵ４０の所定のバッテリ満充電フラグがオンされる（Ｓ２０）。
【００３０】
検出値が基準値と等しいか下回っている場合には、バッテリ満充電フラグがオフされ（Ｓ３０）、次に、バッテリＳＯＣセンサ４１の検出値と所定の基準値とに比較により、バッテリ２２が充電可能かが判断される（Ｓ４０）。充電可能な場合には、ＥＣＵ４０の所定のバッテリ充電可能フラグがオンされ（Ｓ５０）、充電可能でない場合には同フラグがオフされる（Ｓ６０）。
【００３１】
次に、キャパシタＳＯＣセンサ４２の検出値と所定の基準値との比較により、キャパシタ２１が満充電かが判断される（Ｓ１１０）。検出値が基準値を上回っている場合には、ＥＣＵ４０の所定のキャパシタ満充電フラグがオンされる（Ｓ１２０）。
【００３２】
検出値が基準値と等しいか下回っている場合には、キャパシタ満充電フラグがオフされ（Ｓ１３０）、次に、キャパシタＳＯＣセンサ４２の検出値と所定の基準値との比較により、キャパシタ２１が充電可能かが判断される（Ｓ１４０）。充電可能な場合には、ＥＣＵ４０の所定のキャパシタ充電可能フラグがオンされ（Ｓ１５０）、充電可能でない場合には同フラグがオフされる（Ｓ１６０）。
【００３３】
図４は、熱電変換装置３０による発電電力の流れ制御に係る処理を示す。まず、高電圧電源ユニット２０の要求電力が、熱電変換装置３０の発電電力を上回っているかが判断される（Ｓ２１０）。高電圧電源ユニット２０の要求電力は、例えばエンジン回転センサ４５の検出値に基づく所定のテーブルの参照により算出される。なお、高電圧電源ユニット２０の要求電力は、ＥＣＵ４０により基本的にはエンジン回転数が高いほど高い値に設定されるが、これに空燃比やエンジン水温など、排ガス流量や処理対象物質の供給量に影響しうるような他のパラメータを用いて補正を行ってもよい。熱電変換装置３０の発電電力は、発電電圧センサ４３および電流センサ４４の検出値に基づいて算出される。
【００３４】
ステップＳ２１０で要求電力が発電電力を上回っている場合には肯定判断され、発電電力不足の場合として、次に、キャパシタ２１が満充電かが、上述したキャパシタ満充電フラグの状態に基づいて判断される（Ｓ２２０）。そして、キャパシタ２１が満充電の場合には、ＤＤＣ１が昇圧側に運転され、キャパシタ２１の放電によって、プラズマリアクタ１３が動作することになる（Ｓ２３０）。
【００３５】
また、ステップＳ２２０でキャパシタ２１が満充電でない場合には、ＤＤＣ１が昇圧側に運転されると共に、ＤＤＣ２が昇圧側に運転され、その結果、バッテリ２２の電力供給によって、キャパシタ２１の充電と、プラズマリアクタ１３の動作とが行われることになる（Ｓ２４０）。
以上のステップＳ２１０〜Ｓ２４０の処理により、熱電変換装置３０の発電電力が過剰から不足に転じた場合には、まずキャパシタ２１の迅速な放電によって給電が継続され、キャパシタ２１の電位の下降と共にバッテリ２２によって給電が引き継がれることになる。
【００３６】
他方、ステップＳ２１０において要求電力が発電電力と等しいかあるいは小さい場合には、発電電力過剰の場合として否定判定され、次にキャパシタ２１が充電可能かが、上述したキャパシタ充電可能フラグの状態に基づいて判断される（Ｓ２５０）。そして、キャパシタ２１が充電可能の場合には、ＤＤＣ１が降圧側に運転され、熱電変換装置３０からの電力供給によって、キャパシタ２１が充電されることになる（Ｓ２６０）。  
また、ステップＳ２５０でキャパシタ２１が充電可能でない場合には、ＤＤＣ１が運転を停止され、その結果、キャパシタ２１は充電されないことになる（Ｓ２７０）。
【００３７】
図５は、キャパシタ２１からの電力供給によるバッテリ２２の充電に係る処理を示す。まず、キャパシタ２１が満充電かつバッテリ２が充電可能かが、上述したキャパシタ満充電フラグ及びバッテリ充電可能フラグの参照によって判定される（Ｓ３１０）。そして、肯定の場合には、ＤＤＣ２が降圧側に運転され、キャパシタ２１からバッテリ２２に充電される（Ｓ３２０）。また否定の場合（つまり、キャパシタ２１が満充電でない、またはバッテリ２２が充電不能である場合）には、キャパシタ２１によるバッテリ２２の充電に適切な場合でないため、ＤＤＣ２が停止され（Ｓ３３０）、バッテリ２２の充電は行われない。
【００３８】
以上のとおり、本実施形態では、熱電変換装置３０により排ガスの熱エネルギを電力に変換し、プラズマリアクタ１３に電力を供給するので、プラズマリアクタ１３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、エンジンが活発に運転されプラズマリアクタ１３の動作の必要性が高いときには、他方では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リアクタ１３の動力源として利用するのは合理的である。また本実施形態では、熱電変換装置３０からの電力を貯蔵するキャパシタ２１と、該キャパシタ２１からの余剰電力を貯蔵するバッテリ２２とを更に備えたので、効果的に蓄電することができる。
【００３９】
また本実施形態では、プラズマリアクタ１３に対し、熱電変換装置３０の電力不足時にキャパシタ２１から電力を供給させ、キャパシタ２１の電力不足時にバッテリ２２から電力を供給させるので、プラズマリアクタ１３への給電の安定性を高めることができる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、本発明における第１蓄電装置としてキャパシタを用いたので、電力供給の応答性が良く、また第２蓄電装置としてバッテリを用いたので、長時間にわたり比較的安定した電力供給を行えるという利点がある。しかしながら、本発明における第１蓄電装置および第２蓄電装置としては上記の組合せに限らず、各種の電力蓄積手段を任意の組合せで利用することができる。また上記実施形態では第１蓄電装置と第２蓄電装置とを直列に接続したが、本発明における第１蓄電装置と第２蓄電装置との接続は並列であってもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、熱電素子３２を含んで構成された熱電変換装置３０を利用してシステムを構成したが、本発明に係る熱電変換装置は、例えばエンジンの排気によって駆動される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したものであってもよい。すなわち、例えば排気管その他の排気経路の途中に設けたタービンと、該タービンの回転軸に回転子が固定された三相交流同期発電機などの発電機と、発電機からの三相交流出力を整流する整流回路との組合せによって熱電変換装置を構成することにより、プラズマリアクタ１３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いう上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また上記実施形態では、処理装置として円柱形のハニカムフィルタとこれに臨む棒状電極とからなるものを用いたが、本発明における処理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でき、また高電圧を用いる排ガスの処理装置であれば放電の有無や種類を問わず採用できるものであって、いずれも本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態の排ガス浄化システムの概略を示すブロック図である。
【図２】熱電変換装置の要部を示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態におけるバッテリとキャパシタとの状態判別に係る処理を示すフロー図である。
【図４】本発明の実施形態における熱電変換装置による発電電力の流れ制御に係る処理を示すフロー図である。
【図５】本発明の実施形態におけるキャパシタによるバッテリの充電に係る処理を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４４】
１          排ガス浄化システム
１０        浄化容器
１１        ハニカム構造体
１２        中心電極
１３        プラズマリアクタ
２０        高電圧電源ユニット
２１        キャパシタ
２２        バッテリ
３０        熱電変換装置
３２        熱電素子
４０        ＥＣＵ
ＤＤＣ１，ＤＤＣ２，ＤＤＣ３  ＤＣ−ＤＣコンバータ
【図１】
2005180355.tif 000003
【図２】
2005180355.tif 000004
【図３】
2005180355.tif 000005
【図４】
2005180355.tif 000006
【図５】
2005180355.tif 000007