JP4396477B2

JP4396477B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4396477B2
Application number: JP2004302748A
Authority: JP
Inventors: 宮男荒川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: JP2006112383A

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる排気微粒子（ＰＭ）をコロナ放電により帯電させて凝集し、捕集する内燃機関用の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気に含まれる微粒子の処理が大きな課題となっている。従来技術として、特許文献１があり、排気管内に丸棒電極を配備して放電極とし、排気管周囲部分及びメタルハニカムを集電極として、放電極と集電極の間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより、ディーゼルエンジンから排出される排気微粒子（ＰＭ）に負イオンを帯電させ、帯電した排気微粒子（ＰＭ）はクーロン力により集電極である排気管周囲或いはメタルハニカムへと誘引され吸着される技術が提示されている。

しかしながら、上記排気浄化装置は、単に放電極を設置し排気管周囲部分及びメタルハニカムを集電極とし、放電極及び集電極間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させ排気微粒子（ＰＭ）に負イオンを帯電させるという一般的な構成のみが提示され、室温から高温まで変化する排気ガス温度と印加電圧との関係には全く配慮がなされていない。このため、例えば、上記構成では、排気ガス温度が低く電極に結露が生じている場合には通電してもリークしてしまってコロナ放電が発生しないにもかかわらず電圧の印加が継続されていたり、一方、アーク放電が多頻度で発生したりして、排気微粒子（ＰＭ）への効率の良い帯電が行われず、結果として効率よく排気微粒子（ＰＭ）を凝集し、捕集することが期待できないという問題がある。

特開２００２―１４７２１８号公報

本発明は、上記の従来技術が有する欠点を改良しようとするものであり、特に、室温レベルから高温にまで変化する排気ガス温度の変化と適正な印加電圧との関係を分析することにより、その相関関係を有効に応用して、排気ガス温度により電圧電源スイッチの入、切を決定し、更には排気ガス温度の変化により印加電圧値或いはアーク放電予測電圧値を設定して、常に効率の良いコロナ放電の発生を実現しようとするものである。その結果として、効率良く排気微粒子（ＰＭ）を帯電させて、コロナ放電を利用した排気微粒子（ＰＭ）の効率のよい凝集或いは捕集を可能にし、高性能な内燃機関用の排気浄化装置を実現することができる。

請求項１の内燃機関用の排気浄化装置は、内燃機関の排気部で、電極間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて排気微粒子を帯電し、帯電した排気微粒子を凝集させて捕集する内燃機関用の排気浄化装置において、排気ガス温度検出手段及び電圧可変高圧電源を配備し、検出排気ガス温度に基づき印加電圧値を制御する制御手段を具備し、上記印加電圧値はアーク放電発生予想電圧値以下に設定され、該アーク放電発生予想電圧値は、検出排気ガス温度と、内燃機関運転条件により決定される排気微粒子（ＰＭ）の量から計算されることを特徴とするものである。

一般に、印加電圧が高ければイオンを多く発生することができるので、電圧をなるべく高く設定することになるが、あまり高くするとアーク放電を発生してコロナ放電が中止し期待通りの性能を発揮することができなくなる。また、排気ガスの温度が高いほどアーク放電発生電圧が下がる傾向にあり、温度変化とアーク放電発生電圧との関係が効率的なコロナ放電発生に大きく影響する。本発明は、上記のような構成なので、常に、排気ガスの温度を検出することにより、その状況に応じた適切な電圧を印加することができるという効果を有するものである。
なお、印加電圧値はアーク放電発生予想電圧値以下に設定され、アーク放電発生予想電圧値は、検出排気ガス温度、内燃機関運転条件により決定される排気微粒子（ＰＭ）の量から計算されるので、それぞれの時点における印加電圧値及びアーク放電発生予想電圧値がより正確に計算されることができ、常に、アーク放電を発生する可能性の電圧領域を避けながら、その時点の排気ガス温度に対応したベストの印加電圧値を選択できる。このため、常に効率の良いコロナ放電を発生させることができる。

請求項２の発明のように、内燃機関運転条件の項目は、内燃機関回転数、燃料噴射量である。

このように構成することにより、排気微粒子（ＰＭ）の発生量の変化を確実に計算することができるので、結果として、前述のアーク放電発生予想電圧値を正確に計算できる。

請求項３の内燃機関用の排気浄化装置は、内燃機関の排気部で、電極間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて排気微粒子を帯電し、帯電した排気微粒子を凝集させて捕集する内燃機関用の排気浄化装置において、排気ガス温度検出手段及び電圧可変高圧電源を備え、検出排気ガス温度に基づき電圧可変高圧電源をONまたはOFFに制御し、かつ検出排気ガス温度に基づき印加電圧値を制御する制御手段を具備し、上記印加電圧値はアーク放電発生予想電圧値以下に設定され、該アーク放電発生予想電圧値は、検出排気ガス温度と、内燃機関運転条件により決定される排気微粒子（ＰＭ）の量から計算されることを特徴とするものである。

上記排気浄化装置においては、常に、運転中の排気ガス温度を測定し、検出排気ガス温度をチェックすることにより電圧印加すべき排気ガス温度の範囲のみ電圧可変高圧電源スイッチをONにし、その条件以外ではスイッチをOFFにするよう制御できるので、無駄な印加を行わないで済むという効果を有する。また、一般に、印加電圧が高ければイオンを多く発生することができるので、電圧をなるべく高く設定することになるが、あまり高くするとアーク放電を発生してコロナ放電が中止し期待通りの性能を発揮することができなくなる。一方で、排気ガスの温度が高いほどアーク放電発生電圧が下がる傾向にあり、温度変化とアーク放電発生電圧との関係が効率的なコロナ放電発生に大きく影響する。本発明は、上記のような構成なので、常に、排気ガスの温度を検出することにより、上記電源スイッチのON・OFFの制御に加えて、その状況に応じた適切な印加電圧値の制御を行うことができるという効果を有するものである。
なお、印加電圧値はアーク放電発生予想電圧値以下に設定され、アーク放電発生予想電圧値は、検出排気ガス温度、内燃機関運転条件により決定される排気微粒子（ＰＭ）の量から計算されるので、それぞれの時点における印加電圧値及びアーク放電発生予想電圧値がより正確に計算されることができ、常に、アーク放電を発生する可能性の電圧領域を避けながら、その時点の排気ガス温度に対応したベストの印加電圧値を選択できる。このため、常に効率の良いコロナ放電を発生させることができる。

請求項４の発明のように、内燃機関運転条件の項目は、内燃機関回転数及び燃料噴射量である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、内燃機関系統の全体構成を示すもので、内燃機関（エンジン）からの排気管の途中に、本発明の排気浄化装置を接続し、さらにＤＰＦ（デイ―ゼルパテイキュレートフィルター）を接続しているものである。

図２は、本発明の実施の形態を示すもので、図１に示される排気浄化装置を拡大して示したものである。１は排気浄化装置のハウジングであって、ステンレス（SUS）で作成されており、電気的に設置されている。図示されていないが、ハウジング１の左端部は排気管を経由して内燃機関に接続され、図面左方向から排気ガスが流入する。ハウジング１の中央円筒部分内部下流側（右方）に同じくステンレス（SUS）製の導電性網２が横断面方向に沿って配設され、ハウジング１は中央円筒部分の左右にテーパー状のコーン部を形成している。また、ハウジング１の中央円筒部分中央上部の壁部分には、放電電極３が既存の適切な固定手段により固定されている。放電電極３は、ハウジング１内部において、碍子３aからＬ状の放電部３ｂを垂下している。

放電電極３は、高圧電源４（好ましくは、電圧可変型がよい。）に接続されており、放電電極３と高圧電源間には電圧計６及び電流検出手段である電流計７が接続されている。ハウジング１の上流側入り口付近には排気ガス温度検出手段である温度センサー５が配備され、排気浄化装置内を流れる排気ガスの温度を常時検出するように構成されている。また、本発明の排気浄化装置には、適当な場所に制御手段であるエレクトロニックコントロールユニット（ECU）が配備され、詳しくは後述するが、温度センサー５及び電流計７からのデータ、更には内燃機関系統から回転数及び燃料噴射量のデータが常に転送され、高圧電源４のスイッチのON・OFF制御、印加電圧値或いはアーク放電発生予想電圧値の設定・制御を行っている。本発明では、放電電極３を負極とし、負の直流高電圧を印加することにより、コロナ放電を発生させる構成となっている。

図３は、ECUによる高圧電源制御についてのフローチャートであり、Ｓ１〜Ｓ８の各ステージ番号に沿って説明する。内燃機関（エンジン）が始動して、温度センサーで排気ガス温度を測定し排気ガス温度データがECUに転送される（Ｓ１）。ECUで結露温度以上か否かが判断され（Ｓ２）、結露温度以下の場合は高圧電源のスイッチはONにされずOFFのままである。一定の時間経過後、結露温度以上の温度が転送されて初めて高圧電源のスイッチがONになり、ハウジング１内でコロナ放電の開始準備が整うこととなる。

ここで、図４に基づき、排気ガス温度と結露の関係について説明する。電極に結露が発生すると、通電してもリークしてしまいコロナ放電は発生しない。図４は、電極が結露する温度即ち露点温度と排気ガス温度との相関関係を図示したものであり、縦軸は温度、横軸はエンジン始動後の経過時間を表し、時間の経過とともに排気ガス温度が上昇していることが示されている。また、図４では、５０〜７０℃の範囲で露天温度（点線で示されている）が分布していることが解る。特に安全サイドで考えると、７０℃以下が結露領域と考えられ、ここでは７０℃を結露温度と仮定してECUに設定する。従って、排気ガス温度が７０℃以下では高圧電源のスイッチはOFFのままで、７０℃を越えるとスイッチがONにされることとなる。

従来の技術では、排気ガス温度の測定などは行われていなかったので、エンジン始動後、結露が生じていても自動的に高圧電源はONにされていてコロナ放電は発生しないという無駄な印加が行われていたことになるが、本発明によれば、このような無駄な印加は一切行われることがないので極めて効率的にコロナ放電を発生させることができる。

再び図３に基づき説明すると、排気ガス温度が結露温度７０℃以上になると、ECUからの指令で高圧電源のスイッチがONにされ、ECUは次に印加電圧値の設定作業に入る（Ｓ３、Ｓ４）。エンジンが始動すると、別途、エンジンの回転数及び燃料噴射量に関するデータがエンジン系統で測定され、ECUには常時転送されている。ECUではエンジン回転数及び燃料噴射量に基づき排気ガス中に含まれる排気微粒子（ＰＭ）の量を計算する（Ｓ３）。このようにして、ECUにおいては、常に時々刻々の排気ガス温度と排気ガス中に含まれる排気微粒子（ＰＭ）の量に関するデータが掌握されている。一方、ECUには、別途、排気ガス温度及び排気ガス中に含まれる排気微粒子（ＰＭ）の量とアーク放電発生電圧値との相関関係を示すマップが、予め実験を行うことにより作成され、入力されている。ECU内では、先ほどの時々刻々の排気ガス温度と排気ガス中に含まれる排気微粒子（ＰＭ）の量に関するデータと上記マップ上のデータを解析処理することによりアーク放電発生予想電圧値を計算し、常に印加電圧値がアーク放電発生予想電圧値を下回るように設定されることとなる（Ｓ４）。

ここで、図５により排気ガス温度とアーク放電発生電圧との相関関係を説明する。図５は前述の相関関係を表すイメージ図であり、縦軸はアーク放電発生電圧を示し、横軸は排気ガス温度を示し、排気微粒子（ＰＭ）が多い場合の相関関係を実線で表し、排気微粒子（ＰＭ）が少ない場合の相関関係を点線で表している。図から明らかなように、まず、排気微粒子（ＰＭ）の多少に関わらず排気ガス温度が高いほどアーク放電発生電圧が低い、言い換えると、排気ガス温度が高いほど低電圧でアーク放電が発生するということが示されている。さらに、同じ温度で比較すると、排気ガス中の排気微粒子（ＰＭ）の量が多い場合の方が少ない場合よりも低い電圧でアーク放電が発生することが明らかにされている。なお、アーク放電が発生すると、アーク放電中とその後のしばらくの時間は電圧が低下してコロナ放電が停止し全くコロナ放電の性能が出せなくなってしまう。

ECUで、時々刻々の排気ガス温度及び排気ガス中に含まれる排気微粒子（ＰＭ）の量に関するデータと上記マップ上のデータとを解析処理することにより計算されたアーク放電発生予想電圧値を常に下回る範囲で印加電圧値を設定し（Ｓ４）、設定された電圧を印加することにより排気浄化装置内にコロナ放電を発生させる（Ｓ５）。その後は、電流計によりアーク放電状態になってしまったか否かをチェックし続け、アーク放電を発生しない限りは定常運転を継続する（Ｓ６、Ｓ７）。即ち、ECUにおいて引き続き転送されてくるエンジン回転数、燃料噴射量に基づき排気微粒子（ＰＭ）の量を計算し、温度データとともに上記マップとつき合わせてアーク放電発生予想電圧値を常に下回る範囲で印加電圧値を設定し電圧印加を行っていく（Ｓ３〜Ｓ７を繰り返す）。また、電流計でアーク状態が確認された場合は（Ｓ７）、ECUにおいて印加電圧値を所定量低下させてアーク放電を発生しない電圧値まで下降制御する（Ｓ８）。電圧を低下させた後再度電流計によりアーク状態が発生しているか否かを確認し、必要に応じてアーク状態が発生していないことが確認されるまでECU内で同じプロセスを繰り返す（Ｓ６〜Ｓ８）。

図６は、本発明の他の実施の形態を示すもので、同じく図１に示される排気浄化装置を拡大して示したものである。ステンレス(SUS)製の排気浄化装置のハウジング１、同じくステンレス（SUS）製の導電性網２、放電電極３、図示されていない高圧電源、ECU等については先の実施の形態のものと全く同様であり、結露検出手段として温度センサーに変えて湿度センサーが組み込まれている。従って、露点温度に変えて、設定された露天湿度を用いて、高圧電源のスイッチのON、OFFの制御を行うように構成されている。

このように、以上の構成であるから、常に運転中の排気ガス温度等を測定し、検出排気ガス温度をチェックすることにより電圧を印加すべき温度等の範囲のみ高圧電源スイッチをONにし、その条件以外ではスイッチをOFFにし、また、排気ガス温度の変化に基づき適正印加電圧値を設定可能とし、予想に反してアーク放電が発生してしまった場合には、自動的に印加電圧値をアーク放電非発生電圧値まで下降制御することができるように構成されている。このため、本発明によれば、極めて効率良くコロナ放電の発生を制御することができ、結果として、極めて効率良く排気微粒子（ＰＭ）を凝集し、捕集することができる実用的な内燃機関の排気処理装置を実現することができる。

本発明の実施の形態における排気浄化装置を組み込んだ内燃機関系統の概略システム構成図である。本発明の実施の形態における内燃機関用の排気浄化装置の全体構成図である。本発明の実施の形態における内燃機関用の排気浄化装置におけるECUによる高圧電源制御についてのフローチャートである。本発明の実施の形態における排気ガス温度と結露の関係を示したイメージ図である。本発明の実施の形態における排気ガス温度とアーク放電発生電圧との関係を示したイメージ図である。本発明の他の実施の形態における内燃機関用の排気浄化装置の全体構成図である。

符号の説明

１ハウジング
２導電性網
３放電電極
３a 碍子
３ｂ放電部
４高圧電源
５温度センサー
６電圧計
７電流計
８ ECU
９湿度センサー

Claims

内燃機関の排気部で、電極間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて排気微粒子を帯電し、帯電した排気微粒子を凝集させて捕集する内燃機関用の排気浄化装置において、排気ガス温度検出手段及び電圧可変高圧電源を配備し、検出排気ガス温度に基づき印加電圧値を制御する制御手段を具備し、
上記印加電圧値はアーク放電発生予想電圧値以下に設定され、
該アーク放電発生予想電圧値は、検出排気ガス温度と、内燃機関運転条件により決定される排気微粒子（ＰＭ）の量から計算されることを特徴とする排気浄化装置。
内燃機関運転条件は、内燃機関回転数、燃料噴射量である請求項１記載の排気浄化装置。
内燃機関の排気部で、電極間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて排気微粒子を帯電し、帯電した排気微粒子を凝集させて捕集する内燃機関用の排気浄化装置において、排気ガス温度検出手段及び電圧可変高圧電源を配備し、検出排気ガス温度に基づき電圧可変高圧電源スイッチをONまたはOFFに制御し、かつ検出排気ガス温度に基づき印加電圧値を制御する制御手段を具備し、
上記印加電圧値はアーク放電発生予想電圧値以下に設定され、
該アーク放電発生予想電圧値は、検出排気ガス温度と、内燃機関運転条件により決定される排気微粒子（ＰＭ）の量から計算されることを特徴とする排気浄化装置。
内燃機関運転条件は、内燃機関回転数、燃料噴射量である請求項３記載の排気浄化装置。