废气净化系统的制作方法

专利名称：废气净化系统的制作方法
技术领域：
本发明关于一种用于净化废气排放物的内燃机排气系统中的废气净化系统。
背景技术：
作为一种用于净化来自发动机的废气排放物的技术，传统上建议使用一种由交流电压作用在电极(等离子反应器)之间产生等离子体的废气净化系统。例如，在日本专利申请公开号7-293223(1995)中公开的一种系统，它有一个布置在从发动机出来的废气排放流路中的反电极，和一个布置在反电极上流的放电电极。在日本专利申请公开号7-265652(1995)中公开的另一个系统包括一种蜂巢结构构件，用作布置在从发动机出来的废气排放流路中的反电极和布置为贯穿蜂巢结构构件单元的放电电极。
在这些系统中，当高电压被作用在放电电极和反电极之间，因此产生的等离子能量使得包含在废气排放物中的HC，CO，NOx和其他物质为自由状态(自由基)。然后，这些物质通过与废气排放物中包含的氧气进行化学反应被净化。
在这个系统中，由放电电极充电的微粒物质，或PM，被吸引和附着到相反极性的反电极上。PM可以密集的附着在反电极的一些局部区域，而在其他区域则稀疏分布。如果这种情况发生，在一个狭窄区域上密集分布的PM趋于不完全燃烧。那么，剩下未燃烧的残余灰烬使废气排放流动通道的截面面积(一个开口面积)减少。这导致了压力损失的增加和排气通路的堵塞，因此使系统的净化性能下降。
因此，本发明的目的是提供用于抑制PM在反电极上不稳定，或部分密集和部分稀疏的附着的装置。

发明内容
为了完成前述的目的，本发明提供了一种废气净化系统，包括一个布置在从发动机出来的废气排放流动通道中的蜂巢结构构件；一个从蜂巢结构构件上游侧沿着它的轴向延伸的中心电极，它被施加与蜂巢结构构件电极相反的电极的电压；和一个或多个子电极，用于控制中心电极和蜂巢结构构件之间的电场。
子电极优选布置在中心电极和蜂巢结构构件之间。
任意数量的子电极可以被提供。毫无疑问优选采用多个子电极。甚至更加优选的是，两个子电极互相之间布置成相隔180°，或者四个子电极互相之间布置成相隔90°。
如果使用多个子电极，则优选的是，还设有电源电路，用于将交流电流作用到一对相互反向的子电极。
如果系统设有将周期变化的电流作用到子电极上的电源电路，那么优选的是，来自电源电路的电流输出的频率随着发动机运行状态而变化。更加优选的是，频率被控制为以这种方式变化，即发动机转速越高，频率也越高。
参考附图，通过本发明的具体实施例在下文中描述，本发明上述和其它目的，效果，特征和优点将会更加清楚。
附图简述

图1是一个示意性框图，表示了本发明废气净化系统的第一个实施例。
图2是一个曲线图，表示了从扫描电源电路到子电极之间电压输出的锯齿波。
图3是一个曲线图，表示了从扫描电源电路到子电极之间电压输出的脉冲波。
图4是一个曲线图，表示了从扫描电源电路到子电极之间电压输出的正弦波。
图5是一个曲线图，表示了一个从扫描电源电路到子电极之间电压输出的锯齿波的例子，在锯齿波上叠加一个脉冲波。
图6是一个示意的框图，表示了本发明废气净化系统的第二个实施例。
图7是一个曲线图，表示了本发明废气净化系统的第三个实施例中从电源电路输出的电压波形。
图8是一个曲线图，表示了本发明废气净化系统的第三个实施例中典型的频率设置。
具体实施例方式
本发明的优选实施例将会参照附图进行描述。图1表示了本发明废气净化系统的第一个实施例。废气净化系统1被建立在未示出的内燃机的废气路径中，用于净化从发动机燃烧室中排出的废气排放物。
如图1所示，废气净化系统包括一个金属制成的、大致为圆柱形状的净化容器10。净化容器10的上游端通过排气管L1连接到图上未示出的发动机的排气歧管上。净化容器10的下游端通过排气管L2连接到催化器机构和未示出的消声器上，从而和外部环境相通。从发动机燃烧室中排出的废气排放物沿箭头所示方向通过排气管L1进入净化容器10的内部。在净化容器10的内部被净化的废气排放物通过排气管L2被排出到外部环境中去。
大致为圆柱结构的蜂巢结构构件20布置在净化容器10的内部。蜂巢结构构件20是广为人知的由硅碳化物的多孔烧结体组成的蜂巢过滤器。许多单元20a，每个都有大致方形的截面，它们全都沿着蜂巢结构构件20轴线方向均匀形成。每个单元20a通过薄的单元壁互相隔开。每个单元20a在它的前端部分和后端部分是开口的，从而使蜂巢结构构件20的上游侧和净化容器10内部的下游侧相通。氧化催化剂被支持在单元壁的表面上。氧化催化剂由铂族元素(例如Pt或者类似的元素)，包括钒，铜，锰和铝的金属元素，和金属氧化物及类似元素组成。
圆柱形的外部电极30固定到蜂巢结构构件20的外围表面。小直径，棒状的中心电极40被布置在蜂巢结构构件20的上游侧，以至于它被布置在蜂巢结构构件20的轴线方向的中心轴线上。许多用于加强电子放电的针状突起(未示出)可以被提供在中心电极40的下游侧端部。
用于电场控制的子电极130a和130b彼此相对且互相平行的被提供在中心电极40的下游端和蜂巢结构构件20的上游端。子电极130a和130b控制在中心电极40和外电极30之间的电场，因此控制PM附着在蜂巢结构构件20上的区域。
吸引电源电路150被连接到中心电极40和外电极30上。扫描电源电路151被连接到子电极130a和130b上。每个电源电路150和151包括一个反相电路，一个变压器，整流二极管，一个开关电路和类似电路。另外，每个电源电路150和151被连接到直流电源或者汽车电池51，和用于控制使用废气净化系统1的发动机的发动机电子控制单元(下文中写作发动机ECU)70。
发动机ECU 70包括一个CPU，ROMs，RAMs，I/O端口和存储设备，未示出。一个发动机旋转传感器71，一个节气门位置传感器72，和一个A/F(空气燃料比)传感器73被连接到发动机ECU 70的I/O端口上作为检测机构。被连接到发动机ECU 70的I/O端口上的检测机构还包括空气流量计74、一个设在进气侧的进气压力传感器75和设在排气侧的氧传感器76。基于这些传感器的检测信号，发动机ECU70计算相关值以完成后面描述的处理。
发动机ECU 70根据预先设置的控制程序进行计算。另外发动机ECU 70基于那些由传感器71到76和类似传感器提供的指示发动机工作状态的信号产生出不同类型的信号。特别的，发动机ECU 70产生驱动脉冲信号(门脉冲)，用于驱动电源电路150和151的反相电路。发动机ECU 70也产生电压指示信号，用于指示从电源电路150和151输出的电压值。当驱动脉冲信号和电压指示信号由发动机ECU70提供时，下列操作在电源电路150和151完成。特别的，来自直流电源51的直流电压通过反相电路被转换成相关的交流电压。交流电压然后通过变压器升压，并且，如果必要，通过二极管整流。因此所需电压的输出被产生，在后文中描述。
废气净化系统的操作将会在下面被描述。当使用者打开点火开关启动汽车时，发动机ECU 70根据发动机工作状态产生一个驱动脉冲信号和一个电压指示信号，从而操作电源电路150和151。
吸引电源电路150产生一个用于中心电极40和蜂窝结构单元20的预先设定值的直流电流的输出。扫描电源电路151产生一个在子电极130a和130b之间正负交替、周期波形的高电压电流的输出。由电源电路150和151产生的输出电流的电压可以是如图2所示的锯齿波形，如图3所示的脉冲波形，或者由图4所示的正弦波形。
根据本发明的第一个实施例构造的废气净化系统中，当预先设置电压值的直流电流从吸引电源电路150作用在中心电极40和外电极30上时，废气排放物中包含的PM由于来自中心电极40的放电而被充电。PM然后被吸引到和中心电极40具有不同极性的蜂窝结构单元20上。另一方面，当扫描电源电路151将在0V附近的正方向和负方向周期性变化的电流作用到子电极130a和130b上时，子电极130a和130b的操作控制PM的移动路径。特别的，PM然后在子电极130a侧和子电极130b侧之间交替反射。因此，根据本发明的第一个优选实施例，PM能够均匀地附着和固定在蜂窝结构单元20的更广泛的区域内，覆盖区域直到外围部分，而不会允许PM紧密的附着在接近蜂窝结构单元20的轴的区域内。本发明的第一个优选实施例，抑制或补偿不均匀的分布，即PM部分密集和部分稀疏的附着，因此可以稀疏(不密集)地使PM分布到更加广泛的区域。因此，通过避免沉积在某个局部区域PM量的饱和，可能抑制它的处理性能的下降。由于同样的原因，能防止单元20a被堵塞。这使好的处理性能得到长时间维持。
废气排放物中的HC，CO，NOx和其它物质通过放电产生的等离子体被制成自由基，进入了一种容易反应的状态。分布在由于暴露在废气排放物中而具有很高温度的蜂窝结构单元20上的PM，由于在中心电极40和外电极30之间放电过程中产生的热而被燃烧。另外，PM通过支持在蜂窝结构单元20上的氧化催化剂的作用变成无害物。
短时间的高电压脉冲信号可以被叠加在通过扫描电源电路151作用在子电极130a和130b的交流电流上。特别的，参考图5，由发动机ECU 70控制的短时间Δt的高电压脉冲可以被叠加在0V附近正方向和负方向周期变化的电压上，Δt的时间太短了以至于这个脉冲不能完全影响PM的移动路径。这样甚至进一步促进了制造可用物质自由基而不需要很大能量的消耗。此外，这种高压脉冲信号可以被叠加在吸引电源电路150的直流电流输出上。
现将描述本发明的第二优选实施例的废气净化系统。上述的第一优选实施例使用一对子电极130a和130b。然而，可以理解，用于本发明的电场控制的许多子电极数目并不限制为一对。而是，可以提供仅仅一个或者所需数目的子电极。在第二个优选实施例的系统将在下文中被描述，两对子电极被提供。
参考图6，本发明的第二优选实施例的废气净化系统101被构建如下，除了第一优选实施例系统中包括的零件，还包括子电极130c和130d。从蜂窝结构单元20的视角看，连接子电极130c和130d中心的轴被制成垂直于连接子电极130a和130b中心的轴。另外，具有结构类似于扫描电源电路151的扫描电源电路152被用来控制子电极130c和130d。
在本发明的第二个优选实施例中，在提供的废气排放物中包含的PM的移动路径能被控制在垂直于蜂窝结构单元20中心轴的平面上的两个正交轴线方向(X和Y方向)。PM的移动路径因此可以被控制的更加精密。特别的，扫描电源电路151和152能够关于彼此地由发动机ECU 170控制。PM沉积在蜂窝结构单元20的前端表面的点因此可以被任意设置。另外，第二个实施例的设置使得PM沉积点逐渐移动所通过的轨迹成为任一形状成为可能，从蜂窝结构单元20的轴的上部看，如圆和螺旋形。
在工作开始以后一段时间内，通过监视电子放电量或者放电电压值，可以使估算PM的捕集量成为可能。PM的捕集量甚至可以在蜂窝结构单元20给定的每个分割的区域中被估计出来。特别的，例如，蜂窝结构单元20的整个区域可以被分成每个(或者两个或更多个)单元20a的部分。结合如电压值、温度和空燃比的状态，所有这些值能够被存储在发动机ECU 170的预先设定的区域中，例如，基于时间长度或者时间集的数目，可以作出PM捕集量的估计，在这段时间长度和时间集的数目的过程中，该部分的点被认为是一个PM沉积点(沉积目标)。基于这些值，被捕集PM当前的累积数目能被估计出来。PM捕集量的估计结果可以被用于，例如，当沉积在某个区域PM的数目超出了预先设定值后减少选择特定区域的频率，或者增加用于某个特定区域处理容量(例如作用电压)。
本发明的第三个优选实施例的废气净化系统将会被描述。在第三个实施例的系统中，作用在子电极130a和130b上的电流的频率会根据发动机工作状态而改变。第三个实施例的硬件配置和第一个实施例的系统一样。用于第三实施例系统的控制装置根据下面详细描述的第一实施例的系统被修改。应该理解，虽然第三个实施例的硬件配置和第一个实施例的系统一样，但是，根据发动机工作状态用于改变作用在子电极的电流的频率的控制可以被应用于和第二实施例一样的硬件配置上。
本发明的第三实施例，作用在子电极130a和130b上的电流的频率和来自于吸引电源电路150的每单位时间的电压值和脉冲数是根据发动机工作状态而变化。这些控制在下文中被详细提供。当由发动机旋转传感器71检测出的发动机转速超出了预先设定的限值(图7中从时间t1到时间t2的时间段)时，在子电极130a和130b上作用的电流频率Vs，来源于吸引电源电路150的电压值Va，和从扫描电源电路151输出的高电压脉冲的每个单位时间的脉冲数Vb分别被增加。
图8是一个曲线图，表示了一个典型设置，它代表了发动机转速和用于子电极130a和130b的应用电流的频率之间的关系。图8表明，发动机转速越低，应用电流的频率越高。然而，随着发动机转速而变化的应用电流的频率被设置成离散的，如实线所表示的设置例子f1所示。特别的，同流动速率保持低于限值th1的时间段相比较，当废气排放物超出预先设定的限制值th1时，频率被设置成相对较大值。这些设置以限值、函数或者表格式数据的形式，优选预先存储在发动机ECU 70的ROM的预先设置的区域内。
通常来说，发动机转速越高，废气排放物的流动速率(容积/时间)和放出的有害物质的数量越大。例如，如果发动机暂时处于高转速的这段时间太短以至于这段时间只有电流作用在子电极130a和130b上时间的大约一半。如果应用电流的频率和在通常情况下应用电流频率一样，则PM就有可能密集的沉积在蜂巢结构构件20的某些位置区域。因此，如果作用在子电极130a和130b上的电流的频率在这种情况下被设置到增加水平，则PM在直径方向上的不均匀沉积可以被避免。另外，优选的，作用在子电极130a和130b上的电流的周期被设置成小于发动机转速变得更高并暂时超过预先设定的参考值的这段时间(例如，最短1秒)。
优选的是，如果发动机转速高于一定限值同时包含在废气排放物中有害物质的数量很大时，那么增加每单元时间内作用在子电极130a和130b之间的脉冲数目。这种措施将抑制蜂窝结构单元20上的PM的沉积。
如果发动机转速高同时废气排放物流动速率大，那么废气排放物的流动速度也将高。在这种状态下，如果由吸引电源电路150作用的电流的电压在通常时间内保持相同，那么附着在蜂窝结构单元20的单元20a上的PM由于增加的流动阻力而可能被清除，同时可能向下游流动未被处理。在这种情况下，如果由吸引电源电路150作用的电流的电压像第三实施例体现的那样被增加，那么可能抑制PM从蜂窝结构单元20上被清除。
根据本发明的第三实施例，发动机速度和子电极130a和130b上的应用电流的频率被设置成离散的，如图8中设置例子f1所示。不使用这种离散设置，应用电流的频率可以被设置成随着发动机转速的增加而逐渐的增加，或者大致连续的，如图8中设置的例子f2中的链线所示。
在第三个实施例中的废气净化系统中，发动机转速被用作一个代表发动机工作状态的物理量。然而，其他物理量可以被用作根据本发明的发动机工作状态的检测。这种物理量包括，例如由节气门位置传感器72检测的节气门位置，由A/F传感器73检测的A/F比，由空气流量计74检测的进气量，可变气门正时机构的工作位置，在这个控制独立提供的燃油喷射控制过程中由发动机ECU 70设置的燃油喷射量，由进气压力传感器75检测的进气压力，由氧传感器76检测的氧气浓度，由未示出的加速传感器检测出的加速踏板操作量，由未示出的废气温度传感器检测的废气温度，由未示出的外部空气温度传感器检测的外部空气温度，以及被未示出的点火开关和软件定时器检测的、在发动机启动后的流逝时间。因此就有可能使用任意种类的物理量或参数的当前值和目标值，这些值和废气排放物流动速率或者每单位时间内处理的物质量有关，可以用于估算。
应该理解，本领域技术人员能够对本发明进行不同的改变和修改。例如，虽然在前述的本发明的优选实施例中，子电极130a，130b，130c和130d是平行的扁平形状，但是任何其他形状也可以用于子电极。而且，虽然几个不同种类的电源电路150，151和152分别被提供在本发明的每个优选实施例中，但其他电路设置也可以被使用；例如，如果需要，这种电源电路中的一些能够被整合在一起，同时使用一个开关电路为供电电源选择合适的目标。
在前面所述的本发明的优选实施例，用于控制发动机的发动机ECU 70和170被用来提供关于本发明的控制。然而，一种不同的方法也有可能实现，在这种方法里独立于发动机ECU的处理系统能够被用来提供关于本发明的控制，同时一些或所有的控制参数可以作为源于外部例如发动机ECU的信息被获得。
本发明的前述的每个优选实施例使用等离子反应器，它包括圆柱状的外电极30，该外电极30固定到蜂巢结构构件20的外围表面，吸引电源电路150用来给它供电。然而，不同结构的废气净化系统可以被任意应用在本发明上。例如，吸引电源电路150可以被直接连接到蜂巢结构构件20。
本发明的每一个前述的优选实施例，蜂巢结构构件20的每个单元20a提供蜂巢结构构件20上游侧和下游侧的连接。代替这种设置，蜂巢结构构件可以有不同的结构；例如，这种单元中的一些的上游侧的端部被堵塞同时在连接到那儿的其他单元的下游侧的端部也被堵塞。在这种设置中，通过带有开口上游端的单元流入的废气排放物通过多孔壁被过滤，同时，得到的过滤后的废气排放物从带有开口上游端的单元被排出。在这种时间，废气排放物中的PM由壁捕集。另外，本发明被用于不同类型的系统，它通过电能的作用能够改善废气排放物，而与等离子是否被使用无关。
本发明已关于优选实施例被详细的描述，同时本领域技术人员从前面描述中可以明显的看到，在不偏离本发明最大范围的情况下可以进行变化和改变，因此，在明显的权利要求中，它的目标是在落入本发明真实精神的情况下覆盖所有这种变化和改变。
权利要求
1.一种废气净化系统，包括布置在从发动机出来的废气排放流动通道中的蜂巢结构构件；从蜂巢结构构件上游侧沿着它的轴向延伸的中心电极，它被施加与蜂巢结构构件电极相反的电极的电压；一个或更多的子电极，用于控制中心电极和蜂巢结构构件之间的电场。
2.根据权利要求1中的废气净化系统，其中子电极布置在中心电极和蜂巢结构构件之间。
3.根据权利要求1中的废气净化系统，其中所说的一个或更多的子电极是多个子电极。
4.根据权利要求3中的废气净化系统，其中所说的多个子电极是互相之间相隔180°布置的两个子电极。
5.根据权利要求3中的废气净化系统，其中所说的多个子电极是互相之间相隔90°布置的四个子电极。
6.根据权利要求3中的废气净化系统，其中还设有电源电路，用于将交流电流作用到多个子电极中的相互反向的一对上。
7.根据权利要求1中的废气净化系统，还包括将周期变化的电流作用到所说的一个或更多的子电极上的电源电路，和根据所说发动机工作状态改变从电源电路输出的电流的频率的控制装置。
8.根据权利要求7中的废气净化系统，其中所说的控制装置通过下面的方式控制频率，即发动机转速越高，频率越高。
全文摘要
废气净化系统(1)包括一个蜂巢结构构件(20)和一个中心电极(40)。蜂巢结构构件(20)被布置在从发动机出来的废气排放流动通道里。中心电极(20)从蜂巢结构构件(20)上游侧沿着它的轴向延伸。与蜂巢结构构件(20)电极相反的电极的电压作用在中心电极(40)上。子电极(130a，130b)还被提供用于控制在中心电极(40)和蜂巢结构构件(20)之间的电场。
文档编号B01D53/94GK1601060SQ20041001189
公开日2005年3月30日 申请日期2004年9月24日 优先权日2003年9月24日
发明者辻公寿 申请人:丰田自动车株式会社