(57)【要約】【課題】  プラズマ発生のために好適な電極間の電位差を確保しつつ、ハニカム構造体におけるＰＭの付着位置を制御できるような手段を提供する。【解決手段】  中心電極３０と外周電極２０との電位差を所定の目標値に維持しつつ、中心電極３０の電位を可変する。中心電極３０と外周電極２０との電位差をプラズマの発生に適した電位差に維持することによりプラズマを好適に発生させながら、ハニカム構造体４０におけるＰＭの付着位置を自在に制御できる。【選択図】  図１
2005069040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される排ガス中の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配置された外周電極と、前記中心電極および前記外周電極に印加する電圧を制御する制御手段とを備えた排ガス浄化装置であって、
前記制御手段は、前記中心電極と前記外周電極とを異極とし、且つ前記中心電極と前記外周電極との電位差を維持しつつ前記中心電極の電圧を可変することを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
排ガスの流量情報を取得する手段を更に備え、
前記制御手段は、取得された流量情報に応じて前記中心電極の電圧を可変することを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、排ガスの流量が大であるほど、前記中心電極の電圧の絶対値を大に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。
【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高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装置を開示している。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、圧力損失が大きくなるという欠点がある。
【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、ハニカム構造体の外周に配置された筒状の外周電極とを有し、両電極間への高電圧の印加によって発生させたプラズマを用いて、ハニカム構造体を通過する排ガスを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、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。また排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘは、中心電極と外周電極との間に形成される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などへと無害化することができる。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、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、この構成では中心電極が、ＰＭの帯電のための放電電極と、プラズマ発生のための放電電極との両者の役割を行うものであるところ、後者すなわちプラズマ発生のための所要電圧が比較的高いため、ＰＭの電位が過大となって、ＰＭの付着位置がハニカム構造体の外周側に偏る場合がある。また、とくに排ガスの流速が遅く流量が小さい場合（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。このような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、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の要因となってしまう。他方、ＰＭの帯電のための電圧を小さくすると、プラズマの発生に好適な電位差が得られなくなる。
【０００６】
そこで本発明の目的は、プラズマ発生のために好適な電極間の電位差を確保しつつ、ハニカム構造体におけるＰＭの付着位置を制御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、供給される排ガス中の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配置された外周電極と、前記中心電極および前記外周電極に印加する電圧を制御する制御手段とを備えた排ガス浄化装置であって、前記制御手段は、前記中心電極と前記外周電極とを異極とし、且つ前記中心電極と前記外周電極との電位差を維持しつつ前記中心電極の電圧を可変す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、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、これと異極とされてい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。また排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘは、中心電極と外周電極との間に形成されるプラズマのエネルギにより無害化することができる。ここで第１の本発明では、制御手段により、中心電極と外周電極との電位差を維持しつつ中心電極の電位を可変することとしたので、この電位差をプラズマの発生に適した電位差に合わせて設定することにより、プラズマを好適に発生させながら、ＰＭの付着位置を自在に制御できる。
【０００９】
第２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、前記制御手段は、取得された流量情報に応じて前記中心電極の電圧を可変することを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化装置である。
【００１０】
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２の本発明では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可能となる。
【００１１】
第３の本発明は、前記制御手段は、排ガスの流量が大であるほど、前記中心電極の電圧の絶対値を大に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、排ガスの流量が大であるほど、中心電極の電位の絶対値を大に制御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帯電を弱めて（電位の絶対値を小さくして）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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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、内燃機関（不図示）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。
【００１４】
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において上から下に向かう方向に、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。
【００１５】
浄化容器１０の内部には、概ね円筒形の外周電極２０が配置されている。また外周電極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３０が配置されている。
【００１６】
外周電極２０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２０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の上流側端部近傍には、放電を促進するために枝状の突起を設けてもよい。中心電極３０の上流側部分３０ａは外周電極２０に囲まれずに露出しており、この領域で排ガス中のＰＭが帯電されることになる。
【００１７】
外周電極２０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。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を貫通している。ハニカム構造体４０は周知のハニカムフィルタであって、炭化珪素の多孔質焼結体から構成されている。図２に示されるように、ハニカム構造体４０には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。
【００１８】
外周電極２０および中心電極３０に対して高電圧を印加するための第１電源ユニット５０ａおよび第２電源ユニット５０ｂ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等を含むものである。第１電源ユニット５０ａおよび第２電源ユニット５０ｂには、これに給電するための直流電源（不図示）と、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とがそれぞれ接続されている。
【００１９】
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、エンジン回転センサ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、吸気マニホールドに設けられた吸気圧力センサ５８、内燃機関の排気系統に設けられたＯ２センサ５９等が接続されており、エンジンＥＣＵ６０では内燃機関の状態を示す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。
【００２０】
エンジンＥＣＵ６０のＲＯＭには、制御プログラムと共に、後述する各種の関数や基準値が予め格納されている。エンジンＥＣＵ６０は所定の制御プログラム等に従うと共に、各センサ類の検出値に基づいて排ガスの流量を算出し、この排ガス流量に基づいて、第１電源ユニット５０ａおよび第２電源ユニット５０ｂ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）Ｓｇ１、Ｓｇ２や、第１電源ユニット５０ａおよび第２電源ユニット５０ｂから外周電極２０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Ｓｖ１、Ｓｖ２を算出し出力する。
【００２１】
第１電源ユニット５０ａおよび第２電源ユニット５０ｂに対して、エンジンＥＣＵ６０から駆動パルス信号Ｓｇ１，Ｓｇ２や電圧指示信号Ｓｖ１，Ｓｖ２が与えられると、電源ユニット５０ａ，５０ｂでは、直流電源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て出力され、これにより外周電極２０と中心電極３０との間に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本実施形態の動作について、以下に説明する。図３において、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、所定の初期設定処理の後、まず各センサの検出値（すなわち、エンジン回転数、スロットル開度、空燃比、吸気側空気量、吸気圧力、Ｏ２濃度）が読み込まれる（Ｓ３１）。次に、これらの検出値を変数とした所定の関数により、排ガス流量が算出される（Ｓ３２）。この排ガス流量は、例えば浄化容器１０に供給される排ガスの時間あたり体積として算出される。
【００２３】
次に、この排ガス流量を変数とする所定の関数により、中心電極３０の印加電圧値Ｖ１が算出される（Ｓ３３）。この印加電圧値Ｖ１の算出に用いられる関数は、ある流量の排ガスをハニカム構造体４０の上下流方向の全領域に均等に堆積させるのに適した中心電極の印加電圧値Ｖ１が算出されるように予め設定しておく。この関数は具体的には、例えば図４に示されるように、排ガス流量が大であるほど、印加電圧値Ｖ１の絶対値が大となるように設定するのが好適である。
【００２４】
次に、算出された中心電極３０の印加電圧値Ｖ１から、電位差Ｖｄを減ずる演算が行われ（Ｖ２＝Ｖ１−Ｖｄ）、これにより外周電極２０の印加電圧値Ｖ２が算出される（Ｓ３４）。この電位差Ｖｄとしては、中心電極３０と外周電極２０との間にプラズマを発生させるのに適した両電極間の電位差値を予め設定しておく。本実施形態では、電位差Ｖｄには固定値が用いられる。
【００２５】
そして、ステップＳ３３，Ｓ３４で算出された印加電圧値Ｖ１，Ｖ２に応じて、電圧指示信号Ｓｖ１、Ｓｖ２および駆動パルス信号Ｓｇ１，Ｓｇ２が生成され、第１および第２電源ユニット５０ａ，５０ｂに出力されて（Ｓ３５）、処理が終了する。
【００２６】
以上の処理の結果、第１および第２電源ユニット５０ａ，５０ｂの出力により、外周電極２０と中心電極３０とに対し、図５および図６に示されるように互いに同期された直流パルス電圧がそれぞれ周期的に印加される。
【００２７】
図５は排ガス流量が比較的少ない場合の印加電圧、図６は排ガス流量が比較的多い場合の印加電圧を示す。中心電極３０への印加電圧値Ｖ１は正の値Ｖｃとされ、外周電極２０への印加電圧値Ｖ２は負の値とされる。そして電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２のオンが互いに同期される結果、中心電極３０と外周電極２０との間の極間電圧Ｖ１２は、上述の電位差Ｖｄに等しくなる。
【００２８】
以上の状態で浄化容器１０内に排ガスが供給されると、排ガス中のＰＭが中心電極３０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２０側に吸引されて、ハニカム構造体４０の多数のセル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。また、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘは、中心電極３０と外周電極２０との間のパルス電圧の印加に伴い形成される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る。
【００２９】
ここで本実施形態では、排ガス流量に応じた印加電圧値Ｖ１（電位Ｖｃ）の可変（図４参照）によって、中心電極３０に帯電されるＰＭの電荷も変化する。これにより、ＰＭと外周電極２０との間の吸引力も変化するため、ＰＭが排ガスによって下流側へと流されながら半径方向に移動する条件下では、吸引力の変化はハニカム構造体４０におけるＰＭの付着位置の変化に帰結する。したがって本実施形態では、印加電圧値Ｖ１（電位Ｖｃ）の可変によって、ハニカム構造体４０におけるＰＭの付着位置を自在に制御することができる。他方、本実施形態では両電極２０，３０の電位差（極間電圧Ｖ１２）を常に一定値Ｖｄに維持するので、中心電極３０の印加電圧値Ｖ１の変化の前後にわたり、プラズマを好適に発生させることができる。
【００３０】
以上のとおり、本実施形態では、中心電極３０と外周電極２０との電位差Ｖｄを維持しつつ、中心電極３０の電位を可変することとしたので、この電位差Ｖｄをプラズマの発生に適した電位差に合わせて設定することにより、プラズマを好適に発生させながら、ハニカム構造体４０におけるＰＭの付着位置を自在に制御できる。
【００３１】
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、排ガス流量に応じてＰＭが特定の付着位置に集中する傾向があるが、本実施形態では外周電極２０への給電を排ガス流量の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。
【００３２】
とくに、本実施形態では、排ガスの流量が大であるほど、中心電極３０の電位の絶対値を大に制御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あってその傾向を補償するように帯電を弱めて（電位の絶対値を小さくして）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。
【００３３】
なお、上記実施形態では中心電極３０と外周電極２０との電位差Ｖｄを固定値としたが、この電位差Ｖｄは両電極間のプラズマ発生のために好適な所定範囲内で若干変化させてもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。また、この電位差Ｖｄを決定するために、他の変数、例えば排気温度・外気温度・大気圧などを利用した所定の関数を用いて演算を行ってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では中心電極３０と外周電極２０とにそれぞれパルス状の電圧を印加する構成としたが、このような構成に代えて、中心電極３０と外周電極２０とに、互いに逆極性の直流電圧を印加してもよい。図７は排ガス流量が比較的少ない場合の印加電圧、図８は排ガス流量が比較的多い場合の印加電圧を示す。さらに、詳細は図示しないが、中心電極３０と外周電極２０との一方に直流電圧を印加し、他方にパルス状または脈流状の電圧を印加してもよい。いずれの場合にも、中心電極３０への印加電圧値Ｖ１は正の値Ｖｃとされ、外周電極２０への印加電圧値Ｖ２（Ｖ２＝Ｖ１−Ｖｄ）は負の値とされる。電位差Ｖｄの値には一定値あるいは所定の目標値から所定範囲内の値が用いられる。中心電極への印加電圧値Ｖ１は、排ガスの流量に応じて設定するのが好適である。このような変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
また、本発明における排ガス流量と中心電極３０の電位との関係は、上記実施形態におけるものに限られず各種の設定を採用でき、また連続的な関数に限られず閾値を用いた離散的な設定としたり、テーブル形式のデータとしてもよい。
【００３６】
また、排ガス流量の演算ないし推定に用いられる変数としては、上述のもののほか、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など、排ガス流量ないし被処理物質の時間あたり供給量に関連する各種の変数に係る現在値や目標値を採用できる。
【００３７】
また、上記実施形態では中心電極３０を陽極とし外周電極２０を陰極としたが、両電極の極性は逆でもよい。また、上記実施形態では外周電極２０と中心電極３０とに高電圧を印加するために複数組のインバータ回路を用いたが、他の回路構成、例えば外周電極と中心電極との両者に接続された単一のインバータ回路やクランプ回路を設ける構成などを任意に採用できる。
【００３８】
また、上記実施形態では、内燃機関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】
【００３９】
【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】本実施形態における処理の一例を示すフロー図である。
【図４】排ガス流量と中心電極電位との関係の設定例を示すグラフである。
【図５】内周電極および外周電極へのパルス状電圧印加の状態を示すタイミング図であって、小流量時のものを示す。
【図６】内周電極および外周電極へのパルス状電圧印加の状態を示すタイミング図であって、大流量時のものを示す。
【図７】内周電極および外周電極への直流電圧印加の状態を示すタイミング図であって、小流量時のものを示す。
【図８】内周電極および外周電極への直流電圧印加の状態を示すタイミング図であって、大流量時のものを示す。
【符号の説明】
【００４０】
１      排ガス浄化装置
１０    浄化容器
２０    外周電極
３０    中心電極
４０    ハニカム構造体
５０ａ  第１電源ユニット
５０ｂ  第２電源ユニット
６０    エンジンＥＣＵ
【図１】
2005069040.tif 000003
【図２】
2005069040.tif 000004
【図３】
2005069040.tif 000005
【図４】
2005069040.tif 000006
【図５】
2005069040.tif 000007
【図６】
2005069040.tif 000008
【図７】
2005069040.tif 000009
【図８】
2005069040.tif 000010