JP5590217B2 - 粒子状物質処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子状物質処理装置に関する。

内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることにより粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）を帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＰＭを凝集させることにより、ＰＭの粒子数を減少させることができる。また、ＰＭの粒子径が大きくなるため、下流側にフィルタを設けたときに該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。

しかし、排気中に含まれるＨＣやＣＯなどの未燃燃料を介しても電極に電気が流れる。従来では、この未燃燃料により電極に通る電流については考慮されていなかった。そして、排気中に未燃燃料が多く含まれていると、電極を通る電流が大きくなり、電源や電極、その他の回路が劣化したり故障したりする虞がある。また、大きな電流に耐え得るように装置を構成すると、コストアップとなる。さらに、電流が増加すると消費電力が大きくなるため、燃費が悪化する虞もある。

特開２００６−１９４１１６号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、電極に過大な電流が通ることを抑制することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による粒子状物質処理装置は、
内燃機関の排気通路に設けられる電極と、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、
前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比がリッチ空燃比の場合には、前記電源から前記電極に供給される電力に上限を設定する電力上限設定装置と、
を備える。

ここで、電極に電圧を印加すると、ＰＭを帯電させることができる。帯電したＰＭは、クーロン力や排気の流れにより排気通路の内壁へ向かって移動する。排気通路の内壁に到達したＰＭは、排気通路に電子を放出するため、電極よりも接地側に電気が流れる。そして、電子を放出したＰＭは、近くに存在する他のＰＭと凝集するため、粒子数を減少させることができる。

また、排気中に未燃燃料であるＨＣまたはＣＯなどが含まれると、該未燃燃料がキャリアとなるため、電極に電圧を印加したときに未燃燃料を介して電流が通る。そして、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、排気中に多くの未燃燃料が含まれるため、電極を通る電流が非常に大きくなる。

排気の空燃比がリッチ空燃比のときにＨＣやＣＯなどの未燃燃料を介して通る電流は、ＰＭを介して通る電流よりも大きくなる。そうすると、各種装置に過大な電流が通り、これらの装置が劣化する虞がある。これに対し電力上限設定装置は、リッチ空燃比の場合に電力供給量に上限を設定する。すなわち、排気中に未燃燃料が多く含まれるために電流が大きくなったとしても、電力に上限を設定しておけば、電力が上限に達した場合に電流がさらに大きくなると電圧は小さくなる。電圧が小さくなることで電極から電子が放出され難くなるため、電流を抑制できるので、電極や電源などに過大な電流が通ることを抑制できる。また、電力に上限を設定しつつ電極に電圧を印加させておくことができるため、ＰＭの凝集を促進させることができる。

また、本発明においては、前記電力上限設定装置は、前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比が低いほど、前記上限を小さくすることができる。

すなわち、空燃比が低いほど、排気中の未燃燃料の濃度が高くなるため、より大きな電流が通り得る。これに対し、電力の上限をより小さくすることで、より早期に電力が上限に達するため、電極や電源に過大な電流が通ることを抑制できる。

また、本発明においては、内燃機関の排出ガス量を検出または推定する排出ガス量検出装置を備え、
前記電力上限設定装置は、前記排出ガス量検出装置により検出または推定される排出ガス量が多いほど、前記上限を小さくすることができる。

排出ガス量は、単位時間当たりに排気通路に流通する排気の質量としてもよい。排出ガス量が多いほど、より多くの未燃燃料が電極の周りを通過するため、より大きな電流が通り得る。これに対し、電力の上限をより小さくすることで、より早期に電力が上限に達するため、電極や電源に過大な電流が通ることを抑制できる。

本発明においては、前記排気通路に設けられ前記電極が設置される処理部と、
前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
前記接地部にて電流を検出する電流検出装置と、
を備えることができる。

電流検出装置は、電極よりも電位の基準点側において電流を検出している。一般に、電極より電源側では、電極より接地側よりも、配線が長かったり、配線を太くしたりする。また、電極よりも電源側では電荷が蓄えられることもある。そうすると、仮に電極よりも電源側において電流を検出した場合には、電極において強い放電が発生しても、そのときに電流検出装置により検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。一方、電極より接地側では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため、電流をより正確に検出することができる。また、絶縁部を備えることにより、接地部以外に電気が流れることを抑制できる。このため、電流をより正確に検出することができる。

本発明によれば、電極に過大な電流が通ることを抑制することができる。

実施例に係る粒子状物質処理装置の概略構成を示す図である。 実施例に係る印加電圧を制御するためのフローを示したフローチャートである。

以下、本発明に係る粒子状物質処理装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る粒子状物質処理装置１の概略構成を示す図である。粒子状物質処理装置１は、ガソリン機関の排気通路２に設けられる。

粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。

排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間に電気が流れないようにしている。

ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。そして、上流側でさらにハウジング３の側面側へ折れ曲がり、該ハウジング３の側面を貫通して外部へ通じている。

そして、電極５とハウジング３との間に電気が流れないように、電極５には電気の絶縁体からなる碍子部５１，５５が設けられている。この碍子部５１，５５は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。

そして、電極５の一端は、電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。また、電源６には、電位の基準点に接続するための接地電線５４が接続されている。この接地電線５４により電源６が接地される。

また、電極５の他端は、短絡電線５６を介して接地電線５４に接続されている。短絡電線５６の途中には、回路を開閉するためのスイッチ５７が設けられている。電源６により電圧を印加しているときにスイッチ５７をＯＮとすることにより、短絡電線５６を電気が流れる。このときには、電極５が短絡している状態となるため、該電極５の温度が上昇する。なお、本実施例では、下流側の碍子部５１に電源側電線５２を接続し、上流側の碍子部５５に短絡電線５６を接続しているが、これに代えて、下流側の碍子部５１に短絡電線５６を接続し、上流側の碍子部５５に電源側電線５２を接続してもよい。

また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。そして、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。なお、電源側電線５２よりも接地側電線５３のほうが電気的な容量が小さいため、接地側電線５３に検出装置９を設けたほうが電流を検出するときの応答性が高い。そして、本実施例おいては検出装置９が、本発明における電流検出装置に相当する。

そして、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温度センサ７３、エアフローメータ７４、空燃比センサ７５が接続されている。アクセル開度センサ７１は、内燃機関が搭載されている車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、機関回転数を検出する。温度センサ７３は、内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、内燃機関の吸入空気量を検出する。空燃比センサ７５は、ハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けられ、該排気通路２を流通する排気の空燃比を検出する。なお、本実施例においては空燃比センサ７５が、本発明における空燃比検出装置に相当する。また、排気の空燃比は、内燃機関の運転状態から推定してもよい。

また、制御装置７には、スイッチ５７が電線を介して接続されており、制御装置７はスイッチ５７のＯＮ−ＯＦＦ操作を行う。ここで、電源６から電極５へ電圧が印加されているときにスイッチをＯＮとすることで、短絡電線５６に電流が通る。一方、スイッチをＯＦＦとすることで、短絡電線５６には電流が通らなくなる。

このように構成された粒子状物質処理装置１では、スイッチ５７がＯＦＦのときに電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出される。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３へと放出される。ハウジング３へ電子を放出したＰＭは凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、ＰＭの粒子数は低減する。すなわち、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つＰＭの粒子数を低減させることができる。

また、スイッチ５７をＯＮとして、電源６から電極５へ電圧を印加すると、電極５が短絡することにより該電極５の温度が上昇する。これにより、電極５に付着しているＰＭや水などの物資を酸化または蒸発させて除去することができる。

ところで、排気中にＨＣやＣＯなどの未燃燃料が含まれていると、電極５へ電圧を印加したときに未燃燃料が電子のキャリアとなってイオン電流が流れる。そして、排気の空燃比がリッチ空燃比となると、排気中の未燃燃料の量が増大し、イオン電流が増加する。このため、検出電流が大きくなる。そして、未燃燃料によるイオン電流は、ＰＭを凝集するときにＰＭを介して通る電流よりもはるかに大きい。

ここで、電源６、電極５、その他の回路にイオン電流よる過大な電流が通ると、これらの装置が劣化したり故障したりする虞がある。また、過大な電流に耐え得るように装置を構成すると、コストアップとなる。

そこで本実施例では、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、電源６から電極５へ供給する電力に上限を設定する。このように電力に上限を設定すると、電力が上限となっているときには、電流が増加したときに電圧が減少するため、電流の増加が抑制される。したがって、電流の増加を抑制することで、上記装置を保護することができる。また、電極５へは電力が供給されるため、ＰＭの凝集を継続することができる。

一方、排気の空燃比が理論空燃比またはリーン空燃比の場合には、印加電圧の目標値を算出し、該印加電圧の目標値となるように電圧を印加する。このときには、排気中に未燃燃料がほとんど含まれないため、排気中のＰＭの粒子数に応じた電流が電極５を通る。

なお、排気の空燃比がリッチ空燃比のときの電力の上限は、予め実験等により求めておいた所定の値とすることができる。また、排気の空燃比が低いほど、未燃燃料の濃度が高くなるため、電流がより大きくなる。このため、排気の空燃比が低いほど、電力の上限をより小さくして電流の増加を抑制してもよい。

また、内燃機関の排出ガス量（排気の流量としてもよい）が多いほど、ハウジング３を通過する未燃燃料が多くなるため、より多くの電流が通り得る。したがって、排出ガス量が多いほど、電力の上限をより小さくしてもよい。そして、電力が上限を超えないように制御装置７により制御してもよいし、電力が上限を超えないような回路を予め設定しておいてもよい。

なお、本実施例では絶縁部４を備えているため、排気通路２へ電気が通ることが抑制される。したがって、電極５の付着物、排気中に浮遊するＰＭ、及び未燃燃料を介してハウジング３へ通る電流は、検出装置９により検出される。また、接地側電線５３において電流を検出することで、電流の検出精度を高めることができる。一般に、接地側電線５３よりも、電源側電線５２のほうの、配線が長かったり、配線を太くしたりする。そうすると、仮に電源側電線５２において電流を検出した場合には、実際の電流の変化に対して検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。このため、電流の検出精度が低くなる虞がある。

一方、接地側電線５３では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため、接地側電線５３において電流を検出したほうが、実際の電流の変化に対する応答性が高い。したがって、接地側電線５３において電流を検出することで、より正確に電流を検出することができる。

なお、本実施例では、ハウジング３よりも上流側に未燃燃料を酸化させる触媒を備えていてもよい。そうすると、触媒が活性化しているときには、ハウジング３に流入する未燃燃料量を減少させることができる。これにより、電極５に過大な電流が通ることを抑制できる。

次に、図２は、本実施例に係る印加電圧を制御するためのフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、内燃機関の運転状態が取得される。たとえば、機関回転数、機関負荷、排気の空燃比など、これ以降の処理に必要となる値が読み込まれる。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、排気の空燃比は、空燃比センサ７５により検出される。なお、排気の空燃比は、機関回転数、機関負荷、内燃機関の温度などから推定することもできる。また、内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）を温度センサ７３により検出する。

さらに、内燃機関の排出ガス量が算出される。内燃機関の排出ガス量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。また、機関回転数及び機関負荷から排出ガス量を推定してもよい。排気通路２に排出ガス量を検出するセンサを設けてもよい。このようにして内燃機関の排出ガス量を算出する制御装置７が、本発明における排出ガス量検出装置に相当する。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で取得される排気の空燃比がリッチ空燃比であるか否か判定する。本ステップでは、排気中に未燃燃料が多く含まれているか否か判定している。そして、ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、電源６から電極５へ供給する電力の上限である最大供給電力が算出される。最大供給電力は、ステップＳ１０１で取得される排気の空燃比、及び、内燃機関の排出ガス量に基づいて算出される。最大供給電力は、排気の空燃比が低いほど小さく、内燃機関の排出ガス量が多いほど小さくなるように予めマップ化して制御装置７に記憶させておく。この関係は、予め実験等により求めておく。なお、本実施例においてはステップＳ１０３を処理する制御装置７が、本発明における電力上限設定装置に相当する。

そして、ステップＳ１０４では、最大供給電力を上限として電力が供給される。未燃燃料により電流が増加しているため、実際の電力が最大供給電力で一定となり得る。このときには、電流が増加するのに応じて電圧が減少する。たとえば制御装置７は、検出電流に応じて電圧を制御することで、最大供給電力よりも大きな電力が供給されないように電力を制御する。

一方、ステップＳ１０２で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、電極５への印加電圧が算出される。排気の空燃比が理論空燃比またはリーン空燃比の場合には、印加電圧を、推定されるＰＭ粒子数（個／ｃｍ^３）に応じて設定する。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップを内燃機関の温度に応じて複数記憶しておき、該マップに基づいてＰＭ粒子数を算出してもよい。

なお、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を検出してもよい。

そして、ＰＭ粒子数及び内燃機関の排出ガス量（ｇ／ｓｅｃ）に基づいて印加電圧を算出する。この関係は予め実験等により求めてマップ化しておいてもよい。

ここで、排出ガス量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、ＰＭが凝集しやすくなる。したがって、排出ガス量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、排出ガス量が少ないほど、印加電圧を小さくする。また、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、ＰＭ粒子数が多いほど、印加電圧を小さくする。

また、印加電圧は、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような値としてもよい。また、印加電圧を予め定めておいた規定値としてもよい。

そして、印加電圧が算出された後、この電圧を印加して、ステップＳ１０６へ進み、電流が検出される。この電流は、検出装置９により検出される値である。この検出電流に基づいて、各種制御を実施してもよい。例えば、電極５に水やＰＭが付着すると検出電流が大きくなるため、該検出電流に基づいて電極５に付着物が存在するか否か判定してもよい。そして、電極５に付着物が存在すると判定された場合には、スイッチ５７をＯＮとしつつ電圧を印加することにより、電極５の温度を上昇させて付着物を除去することができる。また、ＰＭの凝集量に応じて検出電流が大きくなるため、該検出電流に基づいてＰＭの凝集量を推定してもよい。

このように、リッチ空燃比のときには、供給電力を制限するため、電源６、電極５、その他の回路に過大な電流が通ることを抑制できる。これにより、それらの装置を保護することができる。また、大きな電流が通ることによる電力消費量の増加を抑制できる。これにより、燃費の悪化を抑制できる。

１ 粒子状物質処理装置
２ 排気通路
３ ハウジング
４ 絶縁部
５ 電極
６ 電源
７ 制御装置
８ バッテリ
９ 検出装置
２１ フランジ
３１ フランジ
５１ 碍子部
５２ 電源側電線
５３ 接地側電線
５４ 接地電線
５５ 碍子部
５６ 短絡電線
５７ スイッチ
７１ アクセル開度センサ
７２ クランクポジションセンサ
７３ 温度センサ
７４ エアフローメータ
７５ 空燃比センサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる電極と、
   前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
   前記排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、
   前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比がリッチ空燃比の場合に、前記電源から前記電極に供給する電力に上限を設定する電力上限設定装置と、
   を備える粒子状物質処理装置。
2. 前記電力上限設定装置は、前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比が低いほど、前記上限を小さくする請求項１に記載の粒子状物質処理装置。
3. 内燃機関の排出ガス量を検出または推定する排出ガス量検出装置を備え、
   前記電力上限設定装置は、前記排出ガス量検出装置により検出または推定される排出ガス量が多いほど、前記上限を小さくする請求項１または２に記載の粒子状物質処理装置。
4. 前記排気通路に設けられ前記電極が設置される処理部と、
   前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
   前記処理部を接地させる接地部と、
   前記接地部にて電流を検出する電流検出装置と、
   を備える請求項１から３の何れか１項に記載の粒子状物質処理装置。

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