(57)【要約】【課題】  ハニカム構造体におけるＰＭの付着位置の偏りを抑制し、処理性能を長く維持する。【解決手段】  複数の外周電極２０ａ，２０ｂを、ハニカム構造体４０の外周に、互いにハニカム構造体４０の軸線の方向に異なる位置に配置する。複数の外周電極２０ａ，２０ｂに互いに異なる条件で通電することにより、ハニカム構造体４０におけるＰＭの付着位置を任意に制御でき、付着位置の偏りを抑制または補償してＰＭを広い領域に分散できるため、処理性能を向上できる。また、同様の理由からセルの詰まりを抑制できるので、処理性能を長く維持することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子状物質を捕集すべきハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上流側からハニカム構造体の軸線上に延びる中心電極と、前記ハニカム構造体の外周に、且つ互いに前記軸線の方向に異なる位置に配置された複数の外周電極と、を備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記複数の外周電極への給電を個別に制御する制御器を更に備えた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】
前記制御器は、前記複数の外周電極に交互に電圧を印加すべく給電を制御することを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
排ガスの流量情報を取得する手段を更に備え、
前記制御器は、取得された流量情報に応じて給電を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記制御器は、排ガスの流量が小であるほど、前記複数の外周電極のうち下流側の外周電極に印加する電圧の印加時間を、上流側の外部電極に印加する電圧の印加時間に対して相対的に大とすることを特徴とする請求項４に記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
粒子状物質を捕集すべきハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上流側からハニカム構造体の軸線上に延びる中心電極と、を有する排ガス浄化装置を用いる排ガス浄化方法において、
複数の外周電極を、前記ハニカム構造体の外周に、且つ互いに前記軸線の方向に異なる位置に配置するステップと、
前記複数の外周電極に交互に電圧を印加するステップと、
を含む排ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系に用いられ、排ガス中に含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置および方法に関する。
【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、従来から、相対する一対の電極に交流電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置（プラズマリアクタ）が提案されている。例えば、特許文献１の装置は、電極をなす一対の金網で繊維フィルタを挟み、これらを排ガスの流路中に配置したものであり、この装置では、繊維フィルタに捕集された排ガス中のＰＭ（Particulate Matter,粒子状物質）は、両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に変化するとともに、ＰＭの一部は燃焼して焼却される。このような構成は、排ガスが繊維フィルタを通過する際の排気抵抗に起因して、圧力損失（フィルタ上流側の圧力値から下流側の圧力値を引いたもの）が大きいという欠点がある。
【０００３】
他方、粒子状物質を捕集すべきハニカム構造体と、ハニカム構造体の上流側からハニカム構造体の軸線に沿って延びる中心電極と、を有し、ハニカム構造体を通過する排ガスを、中心電極を利用して発生させたプラズマを用いて浄化する排ガス浄化装置も提案されている。このような装置では、ハニカム構造体の外周に単一の筒状の外周電極が設置されており、供給される排ガス中のＰＭが中心電極からの放電により帯電され、これと逆極性である外周電極側に吸引されて、ハニカム構造体の多数のセル内に堆積される。堆積されたＰＭは、両電極間への高電圧の印加に伴って発生する熱により焼却処理される。排ガスが繊維フィルタを通過するような構成に比して、ハニカム構造体を用いる構成は、ＰＭの捕集量が増加したときでも排気抵抗による圧力損失が小さいという利点がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９５６２９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、このような構成では、排ガスの流量に応じてハニカム構造体におけるＰＭの付着位置に偏りが生じてしまう。例えば、排ガスの流速が遅く流量が低い場合（主として低回転時）には、ＰＭのほとんどがハニカム構造体の上流側（前部側）の領域に偏って付着することになるが、このような付着位置の偏りにより狭い面積にＰＭが高密度に集中するため、燃え残りが生じがちで処理性能が低下する上、燃焼処理後に残留したアッシュは、セル断面積（開口面積）の減少による圧力損失の増大や、ハニカム構造体の詰まりなど、装置の性能低下の要因となってしまう。
【０００６】
そこで本発明の目的は、ハニカム構造体におけるＰＭの付着位置の偏りを抑制し、処理性能を向上できるよう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、粒子状物質を捕集すべきハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上流側からハニカム構造体の軸線上に延びる中心電極と、前記ハニカム構造体の外周に、且つ互いに前記軸線の方向に異なる位置に配置された複数の外周電極と、を備えた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、供給される排ガス中のＰＭが中心電極からの放電により帯電され、これと逆極性である外周電極側に吸引されて、ハニカム構造体の多数のセルに堆積される。堆積されたＰＭは、両電極間への高電圧の印加により燃焼処理される。ここで第１の本発明では、複数の外周電極を、ハニカム構造体の外周に、且つ互いにハニカム構造体の軸線の方向に異なる位置に配置したので、これら複数の外周電極に互いに異なる条件で通電することにより、ハニカム構造体におけるＰＭの付着位置を任意に制御でき、付着位置の偏りを抑制または補償してＰＭを広い領域に薄く（低密度に）分散できるため、局部的なＰＭ堆積量の飽和の回避により処理性能を向上できる。また、同様の理由からセルの詰まりを抑制できるので、処理性能を長く維持することができる。
【０００９】
第２の本発明は、前記複数の外周電極への給電を個別に制御する制御器を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置である。
【００１０】
第２の本発明では、複数の外周電極への給電を個別に制御するので、これによりハニカム構造体におけるＰＭの付着位置を好適に制御できる。
【００１１】
第３の本発明は、前記制御器は、前記複数の外周電極に交互に電圧を印加すべく給電を制御することを特徴とする請求項２に記載の排ガス浄化装置である。
【００１２】
第３の本発明では、複数の外周電極に交互に電圧を印加するので、簡易な構成によりＰＭの付着を広い領域に薄く（低密度に）分散でき、また、その印加時間の比率を調節することによりＰＭの付着を容易に制御できる。
【００１３】
第４の本発明は、排ガスの流量情報を取得する手段を更に備え、前記制御器は、取得された流量情報に応じて給電を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の排ガス浄化装置である。
【００１４】
ハニカム構造体と中心電極とを用いた排ガス処理装置では、流量に応じてＰＭが特定の付着位置に集中する傾向があるが、第４の本発明では複数の外周電極への給電を流量情報に応じて制御することにより、この傾向を緩和または補償してＰＭの付着の平均化を図ることができる。
【００１５】
第５の本発明は、前記制御器は、排ガスの流量が小であるほど、前記複数の外周電極のうち上流側の外周電極に印加する電圧の印加時間を、下流側の外部電極に印加する電圧の印加時間に対して相対的に大とすることを特徴とする請求項４に記載の排ガス浄化装置である。
【００１６】
第５の本発明では、排ガスの流量が小であるほど、複数の外周電極のうち下流側の外周電極に印加する電圧の印加時間を上流側の外部電極に印加する電圧の印加時間に対して相対的に大とすることとしたので、低流量時にＰＭの付着が上流側に偏りがちな装置においてもその傾向を補償するようにＰＭを下流側に誘導でき、ＰＭの付着の平均化を図ることができる。
【００１７】
第６の本発明は、粒子状物質を捕集すべきハニカム構造体と、該ハニカム構造体の上流側からハニカム構造体の軸線上に延びる中心電極と、を有する排ガス浄化装置を用いる排ガス浄化方法において、複数の外周電極を、前記ハニカム構造体の外周に、且つ互いに前記軸線方向に異なる位置に配置するステップと、前記複数の外周電極に交互に電圧を印加するステップと、を含む排ガス浄化方法である。第６の本発明では、第３の本発明と同様の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。本実施形態の排ガス処理装置はプラズマリアクタとして構成され、車両に適用されると好適なものであり、図示されない内燃機関の燃焼室から排出される排ガスを浄化するために、当該内燃機関の排気経路中に組み込まれる。
【００１９】
図１に示されるように、排ガス浄化装置１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た浄化容器１０を有する。浄化容器１０の上流端は、内燃機関の排気系統を構成する排気管Ｌ１に接続され、浄化容器１０の下流端は、内燃機関の排気系統を構成する排気管Ｌ２に接続される。浄化容器１０の内部には、図１において白抜矢印で示されるように、排気管Ｌ１を介して内燃機関の燃焼室から排出される排ガスが導入され、浄化容器１０の内部で浄化された排ガスは、排気管Ｌ２を介して外部に排出されることになる。
【００２０】
浄化容器１０の内部には、概ね円筒形の外周電極２０ａ，２０ｂが配置されている。また外周電極２０ａ，２０ｂの長手方向軸心上に位置するように、細径棒状の中心電極３０が配置されている。
【００２１】
外周電極２０ａ，２０ｂおよび中心電極３０には、導電性・耐熱性・耐腐食性に優れた金属材料、例えばステンレス鋼を用いるのが好適であり、外周電極２０ａ，２０ｂにはその板・箔・ワイヤネットまたはパンチング材を用いることができる。なお中心電極３０には、放電を促進するために枝状の突起を設けてもよい。
【００２２】
外周電極２０ａ，２０ｂの内側には、略円柱形のハニカム構造体４０が配置されている。図２において、このハニカム構造体４０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４０ａがその軸線方向に沿って規則的に形成され、各セル４０ａは薄いセル壁によって互いに仕切られている。各セル４０ａはその前端部と後端部とで開放し、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。セル壁の外表面には、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。
【００２３】
中心電極３０は、このハニカム構造体４０の上流側からハニカム構造体４０の中心軸線の方向に延び、ハニカム構造体４０を貫通しており、また外周電極２０ａ，２０ｂは、ハニカム構造体４０の外周に、且つ互いにハニカム構造体４０の軸線の方向に互いに異なる位置に配置されている。外周電極２０ａ，２０ｂの寸法は互いに等しくされている。
【００２４】
外周電極２０ａ，２０ｂおよび中心電極３０に対して高電圧を印加するための高電圧電源ユニット５０は、インバータ回路・トランス・整流用のダイオード等に加え、外周電極２０ａ，２０ｂに個別に給電するためのスイッチング回路を含むものである。高電圧電源ユニット５０には、これに給電するための直流電源５１（本実施形態では、車両の補機バッテリ）が接続されている。高電圧電源ユニット５０は、排ガス浄化装置１の適用対象である内燃機関を制御するエンジンＥＣＵ６０に接続されている。
【００２５】
エンジンＥＣＵ６０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むものである。エンジンＥＣＵ６０の入出力ポートには、外周電極２０ａ，２０ｂと中心電極３０との間に印加される電圧の値を検出する電圧計５２、外周電極２０ａ，２０ｂと中心電極３０との間で放電される電流の値をそれぞれ検出する電流計５３ａ，５３ｂ、エンジン回転数センサ５４、スロットル開度センサ５５、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ５６、吸気側に設けられたエアフローメータ５７、並びに図示されない吸気マニホールド圧力センサ、Ｏ２センサ等が接続されており、エンジンＥＣＵ６０ではこれらの検出信号に基づいて夫々の値が算出され、後述のとおり処理される。
【００２６】
エンジンＥＣＵ６０は、所定の制御プログラム等に従うと共に、電圧計５２・電流計５３ａ，５３ｂや各種のセンサ類からの内燃機関の状態を示す信号に基づいて、高電圧電源ユニット５０のインバータ回路を駆動するための駆動パルス信号（ゲート信号）Ｓｇ、高電圧を外周電極２０ａ，２０ｂに振り分けるスイッチング回路を駆動するための駆動パルス信号Ｓｓや、高電圧電源ユニット５０から外周電極２０ａ，２０ｂと中心電極３０との間に印加する電圧の値を指示するための電圧指示信号Ｓｖを生成する。
【００２７】
高電圧電源ユニット５０に対して、エンジンＥＣＵ６０から駆動パルス信号Ｓｇ，Ｓｓや電圧指示信号Ｓｖが与えられると、電源ユニット５０では、直流電源５１からの直流電圧がインバータ回路によって交流電圧に変換される。インバータ回路からトランスに加えられた交流電圧は、トランスによって昇圧させられると共にダイオードにより整流され、更にスイッチング回路により振り分けられ、これにより外周電極２０ａ，２０ｂと中心電極３０との間に直流パルス電圧が交互に印加されることになる。
【００２８】
以上のとおり構成された本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、エンジンＥＣＵ６０は、電源ＯＮ信号を高電圧電源ユニット５０に与えて、高電圧電源ユニット５０の作動を開始させる。また高電圧電源ユニット５０の始動後にはエンジンＥＣＵ６０は、駆動パルス信号Ｓｇ，Ｓｓと電圧指示信号Ｓｖとを内燃機関の運転状態に応じて生成し、高電圧電源ユニット５０に与える。これにより、外周電極２０ａ，２０ｂと中心電極３０とに直流パルス電圧が印加される。
【００２９】
ここで、外周電極２０ａへの電圧印加と、外周電極２０ｂへの電圧印加は、交互に行われる。具体的には、図３に示されるように、外周電極２０ａがオフされるのとほぼ同時に外周電極２０ｂがオンされ、また外周電極２０ｂがオフされるのとほぼ同時に外周電極２０ａがオンされる。各オン時間において外周電極２０ａ，２０ｂの印加電圧は互いに等しくされる。
【００３０】
外周電極２０ａへのオン時間（電圧印加時間）ｗ１、および外周電極２０ｂのオン時間（電圧印加時間）ｗ２は、排ガスの流量に応じて決定される。排ガスの流量が多いときは、図３に示されるように、外周電極２０ａ，２０ｂの各オン時間ｗ１，ｗ２は互いに等しくされる。排ガスの流量が少ないときは、図４に示されるように、外周電極２０ａのオン時間ｗ１に対し、外周電極２０ｂのオン時間ｗ２が相対的に大きくされる。
【００３１】
図５は、ここで用いられる排ガス流量とオン時間との関係の設定例を示す。図示のとおり、排ガス流量が小であるほど、下流側の外周電極２０ｂのオン時間ｗ２は上流側の外部電極２０ａのオン時間ｗ１に対して相対的に大とされているが、排ガス流量に応じたオン時間は、実線で示される設定例ｄ１のように離散的に、すなわち排ガス流量が所定の閾値ｔｈ１を上回っている場合に比べ、これを下回っている場合にｗ２／ｗ１が相対的に大きい値をとるように定めてもよいし、また一転鎖線で示される設定例ｄ２のように、排ガス流量が小さくなるほどｗ２／ｗ１が漸増するように実質的に連続的に定めてもよい。このような設定は、あらかじめエンジンＥＣＵ６０のＲＯＭの所定領域に、閾値、関数またはテーブル形式のデータとして格納しておくのが好適である。
【００３２】
排ガス流量の演算には、エンジン回転数センサ５４、スロットル開度センサ５５、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ５６およびエアフローメータ５７の検出値が用いられる。なお、排ガス流量の演算ないし推定には、これらのほか可変バルブタイミング機構の作動位置、本制御とは別途に行われる燃料噴射制御においてエンジンＥＣＵ６０で設定される燃料噴射量や空燃比、エンジンの排気系統に設けられたＯ２センサで検出される酸素濃度、吸気マニホールドに設けられた圧力センサの検出圧力など、排ガス流量または被処理物質の時間あたり供給量に関連する各種のパラメータに係る現在値や目標値を用いることができる。
【００３３】
この直流パルス電圧の印加に伴い、中心電極３０と外周電極２０ａとの間、および中心電極３０と外周電極２０ｂとの間に、電界が交互に形成される。中心電極３０からの電界により、浄化容器１０内に供給された排ガス中のＰＭが帯電され、帯電したＰＭは中心電極３０とは逆極性の外周電極２０ａ，２０ｂによって吸引され、ハニカム構造体４０のセル４０ａ内にトラップされると共に、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などへと無害化される。ここで本実施形態では、供給されるＰＭは、複数の外周電極２０ａ，２０ｂのうちその時点で通電されているものに吸着されることになる。また、排ガス中の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。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、複数の外周電極２０ａ，２０ｂを、ハニカム構造体４０の外周に、互いにハニカム構造体４０の軸線の方向に異なる位置に配置したので、これら複数の外周電極２０ａ，２０ｂに互いに異なる条件で通電することにより、ハニカム構造体４０におけるＰＭの付着位置を任意に制御でき、付着位置の偏りを抑制または補償してＰＭを広い領域に薄く（低密度に）分散できるため、局部的な処理能力の飽和の回避により処理性能を向上できる。また、同様の理由からセル４０ａの詰まりを抑制できるので、処理性能を長く維持することができる。
【００３５】
また本実施形態では、エンジンＥＣＵ６０の制御により複数の外周電極２０ａ，２０ｂへの印加電圧を個別に制御することとしたので、これによりハニカム構造体４０におけるＰＭの付着位置を好適に制御できる。
【００３６】
また本実施形態では、複数の外周電極２０ａ，２０ｂに交互に電圧を印加することとしたので、簡易な構成によりＰＭの付着を広い領域に薄く（低密度に）分散でき、また、その印加時間の比率を調節することによりＰＭの付着を平均化できる。
【００３７】
また、ハニカム構造体と中心電極とを用いた排ガス処理装置では流量に応じてＰＭが特定の付着位置に集中する傾向があるところ、本実施形態では排ガスの流量を取得すると共に流量に応じて印加電圧を制御することとしたので、この傾向を緩和または補償してＰＭの付着の平均化を図ることができる。
【００３８】
また本実施形態では、取得された流量が小であるほど、複数の外周電極２０ａ，２０ｂのうち下流側の外周電極２０ｂに印加する電圧の印加時間を上流側の外部電極２０ａに印加する電圧の印加時間に対して相対的に大とすることとしたので、低流量時にＰＭの付着が上流側に偏りがちな装置においてもその傾向を補償するようにＰＭを下流側に誘導でき、ＰＭの付着の平均化を図ることができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、外周電極を２分割としたが、本発明における外周電極は任意の複数とすることができる。
【００４０】
また、上記実施形態ではスイッチング回路により高電圧を外周電極２０ａ，２０ｂに振り分けることとしたので、両外周電極２０ａ，２０ｂの合計電圧降下が脈動せず電源を安定化できるが、本発明では複数の外周電極に対する印加電圧を互いに異なる条件で制御できれば足り、両者のオン時間にオーバーラップがあってもよく、また両者が共にオフされるデッドタイムがあってもよい。また両外周電極のオン時間における印加電圧が互いに異なっていてもよく、また１周期の間に両外周電極に与えられるパルスの数を互いに異ならせてもよい。また、プラズマ化のためのパルス状高電圧を別途に与える場合には、各外周電極に印加する電圧は断続的である必要はなく、定電圧としてもよい。この場合には、外周電極ごとの電圧値を運転状態に応じて可変とするのが好適である。
【００４１】
また、上記実施形態では単一のインバータ回路の後段にスイッチング回路を設けたが、他の回路構成、例えば外周電極の個数に応じた複数のインバータ回路を設ける構成などを任意に採用できる。
【００４２】
また、上記実施形態における図５の設定例ｄ１では、単一の閾値ｔｈ１を用いてｗ２／ｗ１の値を２段階としたが、複数の閾値を用いてｗ２／ｗ１の値が３以上の多段階をとることとしてもよい。また、設定例ｄ１，ｄ２では排ガス流量が最大となる領域でのｗ２／ｗ１の値を１としたが、この値は１でなくともよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、エンジンの制御を行うエンジンＥＣＵ６０によって本発明に係る制御をも行う構成としたが、本発明に係る制御はエンジンＥＣＵとは別途の処理装置で行うと共に、必要に応じて制御パラメータの一部または全部をエンジンＥＣＵなど外部から情報として取得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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の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】ハニカム構造体および外周電極を示す斜視図である。
【図３】複数の外周電極への電圧印加の状態を示すタイミング図であって、高流量時のものを示す。
【図４】複数の外周電極への電圧印加の状態を示すタイミング図であって、低流量時のものを示す。
【図５】排ガス流量とオン時間との関係の設定例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１              排ガス浄化装置
１０            浄化容器
２０ａ，２０ｂ  外周電極
３０            中心電極
４０            ハニカム構造体
５０            高電圧電源ユニット
６０            エンジンＥＣＵ
【図１】
2005036712.tif 000003
【図２】
2005036712.tif 000004
【図３】
2005036712.tif 000005
【図４】
2005036712.tif 000006
【図５】
2005036712.tif 000007