(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する。【解決手段】  複数の外周電極３０ａ〜３０ｄを、ハニカム構造体２０の外周であって互いにハニカム構造体２０の周方向に異なる位置に配置する。複数の外周電極３０ａ〜３０ｄ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２０におけるＰＭの付着位置を制御でき、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２０ａ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】
エンジンからの排ガス流路中に配置されたハニカム構造体と、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であって互いに前記ハニカム構造体の周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】
エンジンからの排ガス流路中に配置されたハニカム構造体と、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であって前記ハニカム構造体とは逆極性の電圧を印加される中心電極と、を備えた排ガス浄化装置であって、
前記中心電極と前記ハニカム構造体との間に電界制御用の対向電極を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。
【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、従来から、複数の電極間に交流電圧を印加してプラズマを発生させ、この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および特許文献２の装置は、エンジンからの排ガス流路中に配置された受電極と、該受電極の上流側に（特許文献１）または受電極であるハニカム構造体のセル内を貫通するように（特許文献２）配置された放電側電極とを備えたものである。この装置では、放電側電極と受電極との間に高電圧を印加し、発生されたプラズマのエネルギによって排ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘなどの物質をラジカル（フリーラジカル、遊離基）状態にし、排ガス中の酸素との反応により浄化する。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９３２２３号公報
【特許文献２】特開平７−２６５６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような構成では、放電側電極によって帯電されたＰＭ（Particulate Matter、粒子状物質）が逆極性の受電極に付着することになるが、受電極におけるＰＭの付着位置には偏りが生じる可能性がある。ＰＭの付着位置の偏りが生じると、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、排ガス流路の断面積（開口面積）の減少による圧力損失の増大や詰まりなど、装置の性能低下の要因となってしまう。
【０００５】
そこで本発明の目的は、受電極におけるＰＭの付着位置の偏りを抑制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】
【０００６】
第１の本発明は、エンジンからの排ガス流路中に配置されたハニカム構造体と、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であって互いに前記ハニカム構造体の周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。
【０００７】
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であって互いにハニカム構造体の周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。
【０００８】
第２の本発明は、エンジンからの排ガス流路中に配置されたハニカム構造体と、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であって前記ハニカム構造体とは逆極性の電圧を印加される中心電極と、を備えた排ガス浄化装置であって、前記中心電極と前記ハニカム構造体との間に電界制御用の対向電極を更に備えたことを特徴とする排ガス浄化装置である。
【０００９】
第２の本発明では、中心電極とハニカム構造体に逆極性の電圧を印加すると、供給される排ガス中のＰＭは中心電極からの放電により帯電され、ハニカム構造体の多数のセルに吸着される。ここで第２の本発明では、対向電極の作用によってＰＭの移動経路を制御できるので、ハニカム構造体におけるＰＭの付着を一様にすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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には本発明の第１実施形態の排ガス浄化装置が示されている。排ガス浄化装置１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。
【００１１】
図１に示されるように、排ガス浄化装置１は、金属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、排気管Ｌ１を介して内燃機関の排気マニホールド（不図示）に接続され、浄化容器１０の下流端は、排気管Ｌ２を介して不図示の触媒装置および消音器に接続され外部に連通している。浄化容器１０の内部には、図中白抜矢印で示される方向に、内燃機関の燃焼室から排出される排ガスが排気管Ｌ１を介して導入される。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。
【００１２】
浄化容器１０の内部には、略円柱形のハニカム構造体２０が配置されている。このハニカム構造体２０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２０ａがその軸線方向に沿って規則的に形成され、各セル２０ａは薄いセル壁によって互いに仕切られている。各セル２０ａ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。
【００１３】
ハニカム構造体２０の外周面には、外周電極３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが固定されている。外周電極３０ａ〜３０ｄの形状は互いに同一であり、かつ９０度ずつ角度をずらして回転対称に設置されている。ハニカム構造体２０の上流側には、ハニカム構造体２０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４０が配置されている。中心電極４０の下流側の端部には、放電を促進するために多数の針状の突起を設けてもよい。
【００１４】
外周電極３０ａ〜３０ｄと中心電極４０との間に高電圧を印加するために、高電圧電源回路５０が設けられている。この高電圧電源回路５０はインバータ回路・トランス・整流用のダイオード・スイッチング回路等を含んで構成されている。高電圧電源回路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）、および、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が接続されている。
【００１５】
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んでいる。エンジンＥＣＵ６０の入出力ポートには、検出装置７０として、エンジン回転数センサ、スロットル開度センサ、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ、吸気側に設けられたエアフローメータおよび吸気圧力センサ、排気側に設けられた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。
【００１６】
エンジンＥＣＵ６０は、所定の制御プログラム等に従うと共に、検出装置７０に含まれる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、高電圧電源回路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）や、高電圧電源回路５０からの出力電圧値を指示するための電圧指示信号を生成する。エンジンＥＣＵ６０から駆動パルス信号と電圧指示信号が与えられると、高電圧電源回路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、トランスによって昇圧させられると共に必要に応じてダイオードにより整流され、これにより所定の電圧が後述のとおり出力されることになる。
【００１７】
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、駆動パルス信号と電圧指示信号とを内燃機関の運転状態に応じて生成し、高電圧電源回路５０を動作させる。
【００１８】
図２は高電圧電源回路５０からの出力タイミングの一例を示すタイミング図である。時刻ｔ１１における動作開始後、高電圧電源回路５０から中心電極４０に対しては、一定の負電圧Ｖａが印加される。他方、外周電極３０ａ〜３０ｄには一定の正電圧Ｖ１が印加されるが、外周電極３０ａ〜３０ｄは順にオンされるものであり、具体的には外周電極３０ａは時刻ｔ１１からｔ１２まで、外周電極３０ｂは時刻ｔ１２からｔ１３まで、外周電極３０ｃは時刻ｔ１３からｔ１４まで、外周電極３０ｄは時刻ｔ１４からｔ２１までそれぞれオンされる。時刻ｔ１１からｔ１４までにおける処理は、時刻ｔ２１以降繰り返し周期的に実行される。すなわち本実施形態では、中心電極４０を陰極とし、外周電極３０ａ〜３０ｄを順次陽極として高電圧が印加される。
【００１９】
この状態で内燃機関から排ガスが供給されると、排ガス中のＰＭは、中心電極４０からの放電によって帯電され、これと異極である外周電極３０ｂ〜３０ｄに順次吸引される。すなわち、外周電極３０ａ〜３０ｄの作用によってＰＭの移動経路が制御される。したがって、ＰＭの付着はハニカム構造体２０の軸心の近傍に集中せず周辺部まで分散される。
【００２０】
また、排ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘなどの物質は、放電により発生するプラズマによりラジカル化され、反応が起こりやすい状態となる。排ガスへの曝露により高温となったハニカム構造体２０に付着したＰＭは、中心電極４０と外周電極３０ａ〜３０ｄとの間の放電の際の熱により焼却されるか、あるいはハニカム構造体２０に担持された酸化触媒の作用により無害化されることになる。
【００２１】
以上のとおり、本実施形態では、複数の外周電極３０ａ〜３０ｄを、ハニカム構造体２０の外周であって互いにハニカム構造体２０の周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３０ａ〜３０ｄ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２０におけるＰＭの付着位置を制御でき、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２０ａ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。
【００２２】
なお、本実施形態では外周電極３０ａ〜３０ｄにパルス状の高電圧を順次通電することとしたが、外周電極３０ａ〜３０ｄへの通電のタイミング・波形および電圧は任意であり、例えば所定時間だけ外周電極３０ａ，３０ｃをオンさせ、次の所定時間だけ外周電極３０ｂ，３０ｄをオンさせるという動作を周期的に繰り返してもよく、あるいは外周電極３０ａ〜３０ｄの全てを同時にオンさせておくと共にその電圧を一部の外周電極だけ高く制御してもよい。
【００２３】
次に、第２実施形態について説明する。図３において、本発明の第２実施形態の排ガス浄化装置１０１は、上記第１実施形態における外周電極３０ａ〜３０ｂに代えて、電界制御用の対向電極１３０ａ，１３０ｂを、中心電極４０の下流側かつハニカム構造体２０の上流側に設けたものである。中心電極４０とハニカム構造体２０とには、吸着用電源回路１５０が接続されている。対向電極１３０ａ，１３０ｂには掃引用電源回路１５１が接続されている。
【００２４】
対向電極１３０ａ，１３０ｂは、中心電極４０とハニカム構造体２０との間に形成される電界を制御することによって、ハニカム構造体２０におけるＰＭの付着位置を制御するために用いられる。吸着用電源回路１５０および掃引用電源回路１５１はそれぞれ、インバータ回路・トランス・整流用のダイオード・スイッチング回路等を含み、また直流電源５１および、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ＥＣＵ１６０に接続されている。エンジンＥＣＵ１６０は、所定の制御プログラム等に従うと共に、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、吸着用電源回路１５０および掃引用電源回路１５１のインバータ回路を駆動するための駆動パルス信号や、出力電圧値を指示するための電圧指示信号を生成する。
【００２５】
吸着用電源回路１５０は、中心電極４０とハニカム構造体２０に対して、一定値の電圧を出力する。掃引用電源回路１５１は、エンジンＥＣＵ１６０の制御により正負交番状の周期的な波形（例えば、のこぎり波、パルス波または正弦波）の高電圧を対向電極１３０ａ，１３０ｂ間に出力する。なお、第２実施形態の残余の構成は、上記第１実施形態におけるものと同様であるので、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２６】
以上のとおり構成された第２実施形態では、吸着用電源回路１５０から中心電極４０とハニカム構造体２０に対して、一定値の電圧が印加されると、これにより排ガス中のＰＭは、中心電極４０からの放電によって帯電され、これと異極であるハニカム構造体２０に吸引される。他方、掃引用電源回路６２から対向電極１３０ａ，１３０ｂに対して、０Ｖを挟んで正負に周期的に変化する電圧が印加されると、ＰＭの移動経路は、対向電極１３０ａ，１３０ｂの作用によって制御され、対向電極１３０ａ側と同１３０ｂ側とに交互に偏向される。したがって第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、ＰＭの付着をハニカム構造体２０の軸心の近傍に集中させず周辺部まで一様にすることができる。また、対向電極１３０ａ，１３０ｂへの高電圧印加に伴い、排ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘなどの対象物質のラジカル化を促進でき、ハニカム構造体２０に担持された酸化触媒による分解を容易にすることができる。
【００２７】
なお、第２実施形態では２個１組の対向電極１３０ａ，１３０ｂを用いたが、本発明における電界制御用の対向電極の数は２個１組に限られない。例えば、図５に示される変形例のように、上記第２実施形態の構成に加えて対向電極１３０ｃ，１３０ｄを設け、これら対向電極１３０ｃ，１３０ｄの中心点を結ぶ軸線を、ハニカム構造体２０の軸線上からみて対向電極１３０ａ，１３０ｂの中心点を結ぶ軸線に直交させると共に、これら対向電極１３０ｃ，１３０ｄを制御するために、上記掃引用電源回路１５１と同様の掃引用電源回路１５２を設けてもよい。このような構成によれば、供給される排ガス中のＰＭの移動経路を、ハニカム構造体２０の中心軸との直交面上における直交２軸方向（ＸＹ方向）に制御でき、ＰＭの移動経路を更に細かく制御することができる。すなわち、エンジンＥＣＵ１６０によって掃引用電源回路１５１，１５２を互いに関連付けて制御することにより、ハニカム構造体２０上におけるＰＭの付着点を任意の位置とすることができる。また、このような構成によればＰＭの付着点を漸次移動させることもでき、さらにその場合の軌跡を、ハニカム構造体２０の軸線上から見て円形や螺旋形などの任意の形状とすることも可能である。
【００２８】
また、掃引用電源回路６２から対向電極１３０ａ，１３０ｂに対して印加される交番状電圧に、短時間の高電圧パルスを重畳させてもよい。すなわち、例えば図４に示すように、０Ｖを挟んで正負に周期的に変化する交番状電圧に対し、ＰＭの移動経路に実質的に影響しないような短時間Δｔの高電圧パルスを、エンジンＥＣＵ１６０の制御により重畳させてもよく、これによって、大きなエネルギ消費を伴わずに対象物質のラジカル化を更に促進することができる。なお、この場合の高電圧パルスの印加タイミングは、交番状電圧の波形周期と同期していなくてもよい。
【００２９】
また、動作開始時からの放電量または放電電圧をモニターすることで、ＰＭの捕集量を推定してもよい。すなわち、ハニカム構造体２０上の全領域を例えばセル２０ａごとに（あるいは、複数のセル２０ａに亘る領域ごとに）区分し、各区分内の点がＰＭの付着点（付着目標）とされた時間または回数と、その際の電圧値・温度・空燃比などの条件とをエンジンＥＣＵ１６０の所定のメモリ領域に記憶させておき、これらの情報に基づいて、現在の累積捕集量を推定してもよい。このような捕集量の推定結果は、例えば、捕集量が所定の閾値を上回った時点以後にその領域をＰＭの付着点として選択する頻度を下げたり、あるいはその領域に対する処理能力（例えば印加電圧）を上げる等の処理に利用することができる。
【００３０】
また、第２実施形態では平行平板状の対向電極１３０ａ，１３０ｂを用いたが、対向電極の形状は任意であって、他の形状を任意に採用できる。また、第２実施形態では複数種類の電源回路１５０，１５１，１５２を個別に設けたが、他の回路構成、例えばこれら電源回路のうちの幾つかを統合すると共に目的に応じて給電先をスイッチングする構成などを任意に採用できる。また、第２実施形態ではハニカム構造体２０に吸着用電源回路１５０を直結する構造のプラズマリアクタを用いたが、本実施形態では他の構造のプラズマリアクタ、例えばハニカム構造体２０の外周面に筒状の外周電極を固定して吸着用電源回路から給電する構造のものなどを任意に採用できる。
【００３１】
また、上記実施形態では、エンジンの制御を行うエンジンＥＣＵ６０，１６０，２６０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】
【００３２】
【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】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る。
【図３】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。
【図４】第２実施形態において交番状電圧に高電圧パルスを重畳させた場合の波形を示すグラフである。
【図５】第２実施形態の変形例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】
【００３３】
１，１０１，２０１    排ガス浄化装置
１０            浄化容器
２０            ハニカム構造体
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ            外周電極
４０            中心電極
５０            高電圧電源回路
１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ        対向電極
１５０            吸着用電源回路
１５１，１５２        掃引用電源回路
６０，１６０，２６０    エンジンＥＣＵ
【図１】
2005098194.tif 000003
【図２】
2005098194.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005098194.tif 000006
【図５】
2005098194.tif 000007