特許 7393098 排気浄化システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-28

(45)【発行日】2023-12-06

(54)【発明の名称】排気浄化システム

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/08 20060101AFI20231129BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20231129BHJP

   B01D 53/32 20060101ALI20231129BHJP

【ＦＩ】

F01N3/08 C

B01D53/94 222

B01D53/94 245

B01D53/94 280

B01D53/32

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020033789

(22)【出願日】2020-02-28

(65)【公開番号】P2021134775

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2023-01-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】899000068

【氏名又は名称】学校法人早稲田大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106150

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100082175

【弁理士】

【氏名又は名称】高田 守

(74)【代理人】

【識別番号】100113011

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 秀和

(72)【発明者】

【氏名】植西 徹

(72)【発明者】

【氏名】関根 泰

【審査官】畔津 圭介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１６４９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２０４７３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ３／０８

Ｂ０１Ｄ ５３／９４

Ｂ０１Ｄ ５３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排気管に設けられた浄化用触媒と、
前記浄化用触媒に設けられた第１および第２電極と、
前記浄化用触媒に流入する排気温度を取得する取得装置と、
前記第１および第２電極の間に浄化用電位差を生じさせて前記浄化用触媒の表面付近に電界が付与されるように前記第１または第２電極に対して電圧を印加する電圧制御を行う電源装置と、
を備え、
前記電源装置は、前記電圧制御において、
前記排気温度が、前記浄化用触媒による排気成分の浄化率の下限値または上限値に基づいて設定された温度下限値と温度上限値の間にない場合、前記第１または第２電極に印加する電圧の指令値をゼロに設定し、
前記排気温度が前記温度下限値と前記温度上限値の間にある場合、前記排気温度が高くなるほど前記浄化用電位差が小さくなるように前記第１または第２電極に印加する電圧の指令値を設定する
ことを特徴とする排気浄化システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関からの排気を浄化するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２００１－２９５６３４号公報は、内燃機関からの排気を浄化するシステムを開示する。この従来のシステムは、三元触媒と、電源装置と、を備えている。電源装置は、三元触媒に装着された電極間に電圧を印加して放電限界電界を発生させる。放電限界電界は、排気に含まれるガス分子の大半が解離を始める電界の強度である。

【0003】

三元触媒の雰囲気温度が適正な温度域よりも低い場合、ガス分子のポテンシャルエネルギは低く、三元触媒によるガス分子の浄化反応が進行し難い。この点、従来のシステムによれば、放電限界電界によるポテンシャルエネルギの増加が期待される。従って、雰囲気温度が適正な温度域よりも低い場合でも、雰囲気温度が適正な温度域にある場合と同様に、浄化反応を進行させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００１－２９５６３４号公報

【文献】特開２０１３－２０９９２１号公報

【文献】特開２００１－１５９３０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、放電限界電界としては数百ｋＶ／ｃｍの強度が想定されており、放電限界電界を常に発生させることは電力の無駄遣いに繋がる。また、雰囲気温度が適正な温度域にある場合に放電限界電界を発生させることも、電力の無駄遣いに繋がる。そのため、三元触媒の雰囲気を考慮した改良が望まれる。

【0006】

本発明の１つの目的は、内燃機関からの排気の浄化を触媒への電界印加により行うシステムにおいて、電界の発生に伴う電力の消費量を減らすことにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上記課題を解決する排気浄化システムであり、次の特徴を有する。
前記排気浄化システムは、浄化用触媒と、第１および第２電極と、取得装置と、電源装置と、を備える。
前記浄化用触媒は、内燃機関の排気管に設けられる。
前記第１および第２電極は、前記浄化用触媒に設けられる。
前記取得装置は、前記浄化用触媒に流入する排気温度を取得する。
前記電源装置は、電圧制御を行う。前記電圧制御では、前記第１および第２電極の間に浄化用電位差を生じさせて前記浄化用触媒の表面付近に電界が付与されるように前記第１または第２電極に対して電圧が印加される。
前記電源装置は、前記電圧制御において、
前記排気温度が、前記浄化用触媒による排気成分の浄化率の下限値または上限値に基づいて設定された温度下限値と温度上限値の間にない場合、前記第１または第２電極に印加する電圧の指令値をゼロに設定し、
前記排気温度が前記温度下限値と前記温度上限値の間にある場合、前記排気温度が高くなるほど前記浄化用電位差が小さくなるように前記第１または第２電極に印加する電圧の指令値を設定する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、第１および第２電極の間に浄化用電位差を生じさせて浄化用触媒の表面付近に電界が付与されるようにこれらの電極の一方に対して電圧が印加される電圧制御が行われる。但し、電圧制御では、排気温度が温度下限値と温度上限値の間にない場合、印加電圧の指令値がゼロに設定される。従って、電圧の印加を常に行う場合に比べて電力の消費量を減らすことが可能になる。

【0009】

一方、電圧制御では、排気温度が温度下限値と温度上限値の間にある場合、排気温度が高くなるほど浄化用電位差が小さくなるように印加電圧の指令値が設定される。浄化用電位差が小さくなるように印加電圧の指令値が設定されるということは、浄化用電位差を一定に保つように同指令値が設定される場合に比べて電力の消費量が少なくなる。従って、電圧の印加に伴う電力の消費量を減らすことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る排気浄化システムの構成例を説明する図である。

【図2】第１の電圧制御の処理例を説明するフローチャートである。

【図3】第２の電圧制御の処理例を説明するフローチャートである。

【図4】第３の電圧制御の処理例を説明するフローチャートである。

【図5】第１の電位差の第１の設定例を説明する図である。

【図6】第１の電位差の第２の設定例を説明する図である。

【図7】第１の電位差の第３の設定例を説明する図である。

【図8】第２の電位差の第１の設定例を説明する図である。

【図9】第２の電位差の第２の設定例を説明する図である。

【図10】第２の電位差の第３の設定例を説明する図である。

【図11】第３の電位差の第１の設定例を説明する図である。

【図12】第３の電位差の第２の設定例を説明する図である。

【図13】第３の電位差の第３の設定例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

【0012】

１．システムの構成
図１は、本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの構成例を説明する図である。図１に示す排気浄化システム１は、車両に搭載される。排気浄化システム１は、車両の動力源としての内燃機関１０を備えている。内燃機関１０としては、ディーゼルエンジンおよびガソリンエンジンが例示される。

【0013】

内燃機関１０は、排気管２０を備えている。排気管２０には、内燃機関１０からの排気ガスが流れる。排気管２０の途中には、触媒装置３０が設けられている。触媒装置３０は、排気に含まれる有害成分（例えば、炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物。以下、「排気成分」と称す。）を浄化する装置である。触媒装置３０は、触媒３２と、第１電極３４と、第２電極３６と、を備えている。

【0014】

触媒３２としては、酸化触媒、還元触媒および三元触媒が例示される。酸化触媒は、排気成分の酸化反応を促進する。還元触媒は、排気成分の還元反応を促進する。三元触媒は、酸化反応および還元反応を同時に促進する。第１電極３４および第２電極３６は、触媒３２に取り付けられる。第１電極３４および第２電極３６の間に電位差が生じると、触媒３２の表面付近に電界が付与される。電位差は、第１電極３４または第２電極３６に対して電圧が印加されることにより生じる。

【0015】

排気浄化システム１は、更に、電源装置４０と、取得装置５０と、を備えている。電源装置４０は、直流電源４２と、制御回路４４と、コントローラ４６と、を備えている。直流電源４２は、１００Ｖ程度の低圧直流電源である。制御回路４４は、第１電極３４または第２電極３６に対して電圧を印加する。コントローラ４６は、少なくとも１つのメモリと、少なくとも１つのプロセッサと、を有するマイクロコンピュータである。コントローラ４６は、取得装置５０からの信号に基づいて、第１電極３４または第２電極３６に印加する電圧の指令値（以下、「印加電圧の指令値」と称す。）を制御回路４４に出力する。

【0016】

取得装置５０は、コントローラ４６の入力側に接続されている。取得装置５０は、触媒３２による排気成分の浄化率と相関を有する物理量（以下、「相関物理量」とも称す。）を取得する。相関物理量としては、排気温度Ｔ、排気流量Ｆおよび排気空燃比λが例示される。排気温度Ｔは、触媒３２に流入する排気の温度である。排気流量Ｆは、触媒３２に流入する排気の流量である。排気空燃比λは、触媒３２に流入する排気の空燃比である。取得装置５０は、直接的または間接的に相関物理量を取得する。

【0017】

２．電圧制御の例
本実施の形態において、コントローラ４６は、第１、第２または第３の電圧制御を行う。第１の電圧制御は、排気温度Ｔに基づいて行われる。第２の電圧制御は、排気流量Ｆに基づいて行われる。第３の電圧制御は、排気空燃比λに基づいて行われる。第１、第２または第３の電圧制御は、コントローラ４６のプロセッサがメモリから所定のプログラムを読み出して実行することにより実現される。

【0018】

２．１ 第１の電圧制御
図２は、第１の電圧制御の処理例を説明するフローチャートである。図２に示すルーチンは、内燃機関１０の稼働中、所定の制御間隔で実行される。

【0019】

図２に示すルーチンでは、まず、排気温度Ｔが取得される（ステップＳ１０）。続いて、排気温度Ｔが下限値Ｔｅｌｌと上限値Ｔｅｌｈの間にあるか否かが判定される（ステップＳ１２）。下限値Ｔｅｌｌおよび上限値Ｔｅｌｈは、触媒３２による排気成分の浄化率に基づいた実験等に基づいて設定された温度である。下限値Ｔｅｌｌおよび上限値Ｔｅｌｈは、浄化率の下限値Ｒｌまたは上限値Ｒｈに基づいて設定される。下限値Ｒｌおよび上限値Ｒｈは何れも一定値である。

【0020】

ステップＳ１２の判定結果が否定的な場合、図２に示すルーチンが終了する。つまり、ステップＳ１２の判定結果が否定的な場合、第１の電圧制御が行われない。一方、ステップＳ１２の判定結果が肯定的な場合、印加電圧の指令値Ｖ１が出力される（ステップＳ１４）。指令値Ｖ１は、第１電極３４および第２電極３６の間に浄化用の第１の電位差ＰＤ（Potential Difference）１を生じさせる電位である。

【0021】

２．２ 第２の電圧制御
図３は、第２の電圧制御の処理例を説明するフローチャートである。図３に示すルーチンは、内燃機関１０の稼働中、所定の制御間隔で実行される。

【0022】

図３に示すルーチンでは、まず、排気流量Ｆが取得される（ステップＳ２０）。続いて、排気流量Ｆが下限値Ｆｅｌｌと上限値Ｆｅｌｈの間にあるか否かが判定される（ステップＳ２２）。下限値Ｆｅｌｌおよび上限値Ｆｅｌｈは、触媒３２による排気成分の浄化率に基づいた実験等に基づいて設定された温度である。下限値Ｆｅｌｌおよび上限値Ｆｅｌｈは、下限値Ｒｌまたは上限値Ｒｈに基づいて設定される。

【0023】

ステップＳ２２の判定結果が否定的な場合、図３に示すルーチンが終了する。つまり、ステップＳ２２の判定結果が否定的な場合、第２の電圧制御が行われない。一方、ステップＳ２２の判定結果が肯定的な場合、印加電圧の指令値Ｖ２が出力される（ステップＳ２４）。指令値Ｖ２は、第１電極３４および第２電極３６の間に浄化用の第２の電位差ＰＤ２を生じさせる電位である。

【0024】

２．３ 第３の電圧制御
図４は、第３の電圧制御の処理例を説明するフローチャートである。図４に示すルーチンは、内燃機関１０の稼働中、所定の制御間隔で実行される。

【0025】

図４に示すルーチンでは、まず、排気空燃比λが取得される（ステップＳ３０）。続いて、排気空燃比λが下限値λｅｌｌと上限値λｅｌｈの間にあるか否かが判定される（ステップＳ３２）。下限値λｅｌｌおよび上限値λｅｌｈは、触媒３２による排気成分の浄化率に基づいた実験等に基づいて設定された温度である。下限値λｅｌｌおよび上限値λｅｌｈは、下限値Ｒｌまたは上限値Ｒｈに基づいて設定される。

【0026】

ステップＳ３２の判定結果が否定的な場合、図４に示すルーチンが終了する。つまり、ステップＳ３２の判定結果が否定的な場合、第３の電圧制御が行われない。一方、ステップＳ３２の判定結果が肯定的な場合、印加電圧の指令値Ｖ３が出力される（ステップＳ３４）。指令値Ｖ３は、第１電極３４および第２電極３６の間に浄化用の第３の電位差ＰＤ３を生じさせる電位である。

【0027】

２．４ 第１～第３の電圧制御による効果
第１の電圧制御が行われると、第１電極３４および第２電極３６の間に第１の電位差ＰＤ１が生じる。第１の電位差ＰＤ１が生じると、第１電極３４および第２電極３６の間に電界が生じ、排気成分のポテンシャルエネルギが増加する。従って、触媒３２による排気成分の浄化反応が促進される。この促進効果は、第２の電位差ＰＤ２が生じる第２の電圧制御が行われた場合も期待され、第３の電位差ＰＤ３が生じる第３の電圧制御が行われた場合にも期待される。

【0028】

また、第１、第２または第３の電圧制御は、相関物理量がそれぞれの範囲外にある場合行われない。従って、上記促進効果が見込まれないようなときの電圧制御の実行をキャンセルして、電力の無駄遣いを減らすことが可能となる。

【0029】

３．電圧制御の別の例
本実施の形態において、コントローラ４６は、第４、第５または第６の電圧制御を行う。第４、第５および第６の電圧制御は、着目する相関物理量において、第１、第２および第３の電圧制御と共通する。すなわち、第４の電圧制御は、第１の電圧制御と共通する排気温度Ｔに着目して行われる。第５の電圧制御は、第２の電圧制御と共通する排気流量Ｆに着目して行われる。第６の電圧制御は、第３の電圧制御と共通する排気空燃比λに着目して行われる。第４、第５または第６の電圧制御は、コントローラ４６のプロセッサがメモリから所定のプログラムを読み出して実行することにより実現される。

【0030】

３．１ 第４の電圧制御
第４の電圧制御では、排気温度Ｔに応じて第１の電位差ＰＤ１が設定される。図５は、第１の電位差ＰＤ１の第１の設定例を説明する図である。この第１の例では、排気温度Ｔが上限値Ｔｅｌｈのときには第１の電位差ＰＤ１がＰＤ１１に設定され、下限値Ｔｅｌｌのときには第１の電位差ＰＤ１がＰＤ１２（＜ＰＤ１１）に設定される。また、排気温度Ｔが上限値Ｔｅｌｈと下限値Ｔｅｌｌの間のときには、排気温度Ｔが高くなるほど第１の電位差ＰＤ１が小さな値に設定される。

【0031】

相関物理量の定義の際に述べたように、排気温度Ｔは触媒３２による排気成分の浄化率と相関を有する。この理由は、排気成分のポテンシャルエネルギと、排気温度Ｔの間に相関があるためである。具体的に、排気温度Ｔが高くなるほど、排気成分のポテンシャルエネルギが増加する。このことから、排気成分の浄化反応の進行に必要な活性化エネルギは、排気温度Ｔが高くなるほど少ないエネルギで済むことが分かる。第４の電圧制御は、このような関係性に着目したものである。なお、制御回路４４に出力される指令値Ｖ１は、設定後の第１の電位差ＰＤ１に応じて適宜変更される。

【0032】

図６および７は、第１の電位差ＰＤ１の第２および第３の設定例を説明する図である。図５で説明した第１の設定例では、排気温度Ｔを変数とする１次関数により第１の電位差ＰＤ１が表現された。図６に示す第２の設定例では、下に凸の関数により第１の電位差ＰＤ１が表現される。図７に示す第３の設定例では、上に凸の関数により第１の電位差ＰＤ１が表現される。

【0033】

３．２ 第５の電圧制御
第５の電圧制御では、排気流量Ｆに応じて第２の電位差ＰＤ２が設定される。図８は、第２の電位差ＰＤ２の第１の設定例を説明する図である。この第１の例では、排気流量Ｆが下限値Ｆｅｌｌのときには第２の電位差ＰＤ２がＰＤ２１に設定され、上限値Ｆｅｌｈのときには第２の電位差ＰＤ２がＰＤ２２（＞ＰＤ２１）に設定される。また、排気流量Ｆが上限値Ｆｅｌｈと下限値Ｆｅｌｌの間のときには、排気流量Ｆが少なくなるほど第２の電位差ＰＤ２が小さな値に設定される。

【0034】

相関物理量の定義の際に述べたように、排気流量Ｆは触媒３２による排気成分の浄化率と相関を有する。この理由は、触媒３２の構造体の内部に拡散する排気成分の量と、排気流量Ｆとの間に相関があるためである。具体的に、排気流量Ｆが少なくなるほど、触媒３２中に拡散する排気成分の量が増加する。この拡散量が増加するということは、触媒３２による排気成分の浄化の機会が増えることを意味する。このことから、排気流量Ｆが少なくなるほど排気成分の浄化反応が進行し易くなることが分かる。第５の電圧制御は、このような関係性に着目したものである。なお、制御回路４４に出力される指令値Ｖ２は、設定後の第２の電位差ＰＤ２に応じて適宜変更される。

【0035】

図９および１０は、第２の電位差ＰＤ２の第２および第３の設定例を説明する図である。図８で説明した第１の設定例では、排気流量Ｆを変数とする１次関数により第２の電位差ＰＤ２が表現された。図９に示す第２の設定例では、下に凸の関数により第２の電位差ＰＤ２が表現される。図１０に示す第３の設定例では、上に凸の関数により第２の電位差ＰＤ２が表現される。

【0036】

３．３ 第６の電圧制御
第６の電圧制御では、排気空燃比λに応じて第３の電位差ＰＤ３が設定される。図１１は、第３の電位差ＰＤ３の第１の設定例を説明する図である。この第１の例では、排気空燃比λが所定空燃比λｒのときには第３の電位差ＰＤ３がＰＤ３１に設定される。また、排気空燃比λが上限値λｅｌｈおよび下限値λｅｌｌのときには、何れも、第３の電位差ＰＤ３がＰＤ３２（＞ＰＤ３１）に設定される。なお、上限値λｅｌｈにおける第３の電位差ＰＤ３と、下限値λｅｌｌにおけるそれとが異なる値に設定されてもよい。

【0037】

また、排気空燃比λが所定空燃比λｒと上限値λｅｌｈの間のときには、排気空燃比λが小さくなるほど第３の電位差ＰＤ３が小さな値に設定される。排気空燃比λが所定空燃比λｒと下限値λｅｌｌの間のときには、排気空燃比λが大きくなるほど第３の電位差ＰＤ３が小さな値に設定される。なお、所定空燃比λｒは一定値が設定されてもよいし、着目する排気成分に応じた値が個別に設定されてもよい。

【0038】

相関物理量の定義の際に述べたように、排気空燃比λは触媒３２による排気成分の浄化率と相関を有する。この理由は、排気空燃比λが所定空燃比λｒに近づくほど、排気成分の浄化反応が進行し易くなる反応条件が整うためである。このことから、排気空燃比λと所定空燃比λｒの差が小さくなるほど、排気成分の浄化反応が進行し易くなることが分かる。第６の電圧制御は、このような関係性に着目したものである。なお、制御回路４４に出力される指令値Ｖ３は、設定後の第３の電位差ＰＤ３に応じて適宜変更される。

【0039】

図１２および１３は、第３の電位差ＰＤ３の第２および第３の設定例を説明する図である。図１１で説明した第１の設定例では、排気空燃比λを変数とする１次関数により第３の電位差ＰＤ３が表現された。図１２に示す第２の設定例では、所定空燃比λｒを境とする下に凸の２種類の関数により第３の電位差ＰＤ３が表現される。図１３に示す第３の設定例では、所定空燃比λｒを境とする上に凸の関数により第３の電位差ＰＤ３が表現される。

【0040】

３．４ 第４～第６の電圧制御による効果
第４の電圧制御が行われると、排気温度Ｔが高くなるほど第１の電位差ＰＤ１が小さな値に設定される。第５の電圧制御が行われると、排気流量Ｆが少なくなるほど第２の電位差ＰＤ２が小さな値に設定される。第６の電圧制御が行われると、排気空燃比λが所定空燃比λｒに近づくほど、第３の電位差ＰＤ３が小さな値に設定される。つまり、何れの電圧制御が行われる場合であっても、排気成分の浄化反応が進行し易くなる状況下で、浄化用の電位差が小さな値に設定される。浄化用の電位差が小さな値に設定されるということは、同電位差が一定値に設定される場合に比べて電力の消費量が少なくなる。従って、電圧制御の実行に伴う電力の消費量を減らすことが可能になる。

【符号の説明】

【0041】

１ 排気浄化システム
１０ 内燃機関
２０ 排気管
３０ 触媒装置
３２ 触媒
３４ 第１電極
３６ 第２電極
４０ 電源装置
４２ 直流電源
４４ 制御回路
４６ コントローラ
５０ 取得装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】