DE102009001993A1

DE102009001993A1 - Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009001993A1
Application number: DE200910001993
Authority: DE
Inventors: Masahiro Kariya Okajima; Yoshiaki Kariya Nishijima; Masatoshi Kariya Kuroyanagi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2009-10-01
Also published as: JP2009243419A

Abstract

Eine Abgasreinigungsvorrichtung (1) hat ein zylindrisches Gehäuse (H) und eine Steuereinheit (5). Eine Koronaentladungselektrode (2) und eine gegenüberliegende Elektrode (3) sind in dem zylindrischen Gehäuse (H) angeordnet. Das zylindrische Gehäuse (H) ist in dem Weg eines Abgasdurchgangs (42) angeordnet, durch den ein Abgas strömt, das von einer Dieselkraftmaschine (41) abgegeben wird. Die Steuereinheit (5) weist eine DC-Energiequelle an, eine DC-Hochspannung zu der Koronaentladungselektrode (2) zuzuführen, die zum Erzeugen einer Koronaentladung in einem Koronaentladungsbereich zwischen der Koronaentladungselektrode (2) und der gegenüberliegenden Elektrode (3) ausreichend ist, so dass eine Energie, die durch die Koronaentladung erzeugt wird, nicht geringer als eine Aktivierungsenergie ist, die ausreichend zum Oxidieren von Partikelstoffen (PM) ist, die in dem Abgas enthalten sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung, die zum Reinigen von Partikelstoffen, insbesondere von Partikelstoffen in der Größenordnung von Nanometern, die in Abgas enthalten sind, das von einer Brennkraftmaschine, wie z. B. Dieselkraftmaschinen enthalten ist, unter Verwendung einer Koronaentladung in der Lage ist.
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
Verschiedenartige Technologien zum Reinigen von Partikelstoffen (PM), die in Abgas enthalten sind, das von Brennkraftmaschinen, wie z. B. Dieselkraftmaschinen und Benzinkraftmaschinen mit Magerverbrennung abgegeben wird, wurden bereits vorgeschlagen. Eine dieser Technologien verwendet einen Partikelfilter, der in dem Weg des Abgasausstoßdurchgangs für eine Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Partikelfilter besteht aus poröser Keramik und kann Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von einer Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, einfangen. Da ein solches Abgas Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern enthält, besteht die Möglichkeit, dass diese Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern durch den Partikelfilter hindurchtreten, ohne dass sie eingefangen werden. Andererseits wird der Druckverlust des Abgasausstoßdurchgangs umso größer, je näher die Zellenabmessung des Partikelfilters verringert wird.
Eine Vorrichtung unter Verwendung einer Koronaentladung zum Erzeugen von elektrostatischen Ladungen wurde studiert, um Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern, die in Abgas enthalten sind, durch die erzeugte elektrostatische Energie aufzuladen und die aufgeladenen Partikelstoffe anzuhaften. Beispielsweise hat die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2005-76497 die Vorrichtung mit einer Hochspannungselektrode und einer Niederspannungselektrode vorgeschlagen. Bei der Vorrichtung ist die Hochspannungselektrode an einem zentralen Abschnitt eines Abgasdurchgangs angeordnet, an dem die Vorrichtung montiert ist. Die Niederspannungselektrode ist an der äußeren Umfangswandseite des Abgasdurchgangs angeordnet. Diese herkömmliche Vorrichtung in dem Abgasdurchgang erzeugt eine Koronaentladung zwischen Hoch- und Niederspannungselektroden. Die Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, werden aufgeladen und aneinander gehaftet und werden in Richtung auf die äußere Umfangswandseite des Abgasdurchgangs angezogen. Die Koronaentladung lädt die Partikelstoffe auf. Die aufgeladenen Partikelstoffe werden aneinander gehaftet und in Richtung auf die äußere Umfangswandseite des Abgasdurchgangs angezogen. Somit bildet die Koronaentladung zwei Gasströme in der Abgasströmung. Der primäre Gasstrom hat eine hohe Konzentration der Partikelstoffe, der in der Nähe der inneren Umfangswandseite des Abgasdurchgangs strömt. Die sekundäre Gasströmung hat eine niedrige Konzentration der Partikelstoffe, die hauptsächlich in dem zentralen Abschnitt des Abgasdurchgangs strömt. Die herkömmliche Vorrichtung hat zwei Filter, wobei ein Filter der hohen Konzentration der Partikelstoffe entspricht und der andere Filter der niedrigen Konzentration der Partikelstoffe entspricht. Diese zwei Filter werden an der stromabwärtigen Seite der Abgasströmung zum effizienten Einfangen der Partikelstoffe angeordnet, die in dem Abgas enthalten sind.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-37899 hat eine weitere herkömmliche Vorrichtung offenbart, bei der eine Entladungselektrode und eine Sammelelektrode in einer Leitungsnetzform zueinander weisen. Diese herkömmliche Vorrichtung ist in dem Abgasdurchgang angeordnet. Bei dem Aufbau der herkömmlichen Vorrichtung werden die geladenen Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, von der Sammelelektrode angezogen und durch diese eingefangen. Die elektrischen Ladungen der Partikelstoffe, die durch die Sammelelektrode eingefangen werden, werden in der Masse durch eine Spule als Induktor entladen. Da der geladene Zustand der Partikelstoffe für eine lange Zeitdauer einfach aufrechterhalten werden kann, werden die geladenen Partikelstoffe einfach durch die coulombsche Kraft an der Sammelelektrode angezogen. Somit treibt die coulombsche Kraft die Sammlung der geladenen Partikelstoffe voran.
Da jedoch die elektrostatische Kraft im Allgemeinen schwach ist, trennen sich die elektrostatisch aufgeladenen Partikelstoffe, die aneinander gehaftet sind, einfach erneut voneinander.
Bei der erstgenannten herkömmlichen Vorrichtung, die in JP 2005-76497 gezeigt ist, ist ein Durchdringungsabschnitt an der Niederspannungselektrode angeordnet, die an dem äußeren Umfang der Hochspannungselektrode angeordnet ist, und fängt ein Filter, der an der Außenseite des Durchdringungsabschnitts angeordnet ist, die elektrostatisch aufgeladenen und anhaftenden Partikelstoffe ein. Aber diese herkömmliche Vorrichtung ist problematisch hinsichtlich der Tatsache, dass die geladenen und angehafteten Partikel aneinander haften, aber sich aufgrund der Kollision in der Abgasströmung voneinander trennen.
Bei dem Aufbau der letztgenannten herkömmlichen Vorrichtung, die in JP 2006-37899 offenbart ist, ist ein Dieselpartikelfilter (DPF) unter anderem an der stromabwärtigen Seite des Abgasdurchgangs zum Einfangen der elektrostatisch geladenen und aneinander gehafteten Partikelstoffe angeordnet, die durch die Sammelelektrode gesammelt werden. Ein Hochgeschwindigkeitsstrom des Abgases verursacht eine Kollision der elektrostatisch aneinander gehafteten Partikelstoffe mit der Wand des DPF und als Folge werden die elektrostatisch aneinander gehafteten Partikelstoffe erneut voneinander getrennt. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass die Partikelstoffe durch den DPF treten und schließlich aus dem Abgasdurchgang ausgestoßen werden. Das verursacht eine Luftverunreinigung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, die ein Abgas, das Partikelstoffe (PM), wie z. B. PM in der Größenordnung von Nanometern enthält, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, reinigen kann und insbesondere die PM in der Größenordnung von Nanometern mit einer hohen Effizienz unter Verwendung einer Koronaentladung behandeln kann.
Zum Lösen der vorstehend genannten Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Abgasreinigungsvorrichtung (1, 1-1 und 1-2) zur Verfügung, die ein Abgas, das Partikelstoffe enthält, das von einer Brennkraftmaschine (41) abgegeben wird, durch eine Oxidationsreaktion unter Verwendung einer Koronaentladung reinigen kann. Die Abgasreinigungsvorrichtung hat ein zylindrisches Gehäuse (H), in dem eine Koronaentladungselektrode (2) und eine gegenüberliegende Elektrode (3) angeordnet sind. Die Koronaentladungselektrode (2) und die gegenüberliegende Elektrode (3) weisen zueinander. Die Koronaentladung wird in einem Koronaentladungsbereich zwischen der Koronaentladungselektrode (2) und der gegenüberliegenden Elektrode (3) in dem zylindrischen Gehäuse (H) erzeugt. Das zylindrische Gehäuse (H) ist an einem Abgasdurchgang (11) angeordnet, der mit einer Brennkraftmaschine (41), wie z. B. einer Dieselkraftmaschine verbunden ist. Das zylindrische Gehäuse (H) bildet einen Abschnitt des Abgasdurchgangs (11), durch den ein Abgas, das von der Brennkraftmaschine (41) abgegeben wird, strömt. Die Koronaentladungselektrode (2) besteht aus einem Koronaentladungsabschnitt (22), der eine Koronaentladung erzeugt, wenn eine Hochspannung zwischen der Koronaentladungselektrode (2) und der gegenüberliegenden Elektrode (3) zugeführt wird. Bei der Abgasreinigungsvorrichtung (1, 1-1 und 1-2) entspricht die Hochspannung, die zu der Koronaentladungselektrode (2) zuzuführen ist, einer Energie von nicht weniger als einer Aktivierungsenergie, die zum Oxidieren der Partikelstoffe ausreichend ist, die in dem Abgas enthalten sind.
Wenn die durch die Koronaentladung erzeugte Energie die Aktivierungsenergie übersteigt, die zum Durchführen einer Oxidationsreaktion der Partikelstoffe, beispielsweise von PM in der Größenordnung von Nanometern notwendig ist, werden Sauerstoffionen (O₂ ^–) erzeugt und wird Kohlenstoff, der die Partikelstoffe bildet, die in dem Abgas enthalten sind, mit den Sauerstoffionen verbunden und wird Kohlendioxid (CO₂) dadurch erzeugt. Die Zufuhr der Energie, die zum Aktivieren der Oxidationsreaktion ausreichend ist, kann nämlich das Abgas, das die Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern enthält, mit einer hohen Effizienz reinigen. Die vorliegende Erfindung stellt die Abgasreinigungsvorrichtung mit einer hohen Reinigungsfunktion zur Verfügung, da der Aufbau der Abgasreinigungsvorrichtung verhindert, dass die Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, durch die Vorrichtung hindurchtreten, die aufgeladenen und aneinander gehafteten Partikelstoffe erneut getrennt werden und schließlich aus der Vorrichtung ausgestoßen werden.
Bei der Abgasreinigungsvorrichtung als weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der Koronaentladungsabschnitt (22) in der Koronaentladungselektrode (2) im Wesentlichen an einem mittleren Abschnitt des zylindrischen Gehäuses (H) angeordnet. Der Koronaentladungsabschnitt (22) der Koronaentladungselektrode (2) emittiert Elektronen in den Strom des Abgases in dem zylindrischen Gehäuse (H), wenn die hohe Spannung zwischen der Koronaentladungselektrode (2) und der gegenüberliegenden Elektrode (3) zugeführt wird. Die emittierten Elektronen kollidieren mit den Partikelstoffen, die in dem Abgas enthalten sind, und stellen die Aktivierungsenergie als Oxidationsenergie für die Partikelstoffe zur Verfügung. In einem konkreten Beispiel ist es vorzuziehen, dass die Koronaentladungselektrode (2) im Wesentlichen an dem mittleren Abschnitt des Abgasdurchgangs (11), nämlich dem zylindrischen Gehäuse (H) angeordnet ist, um die Elektronen zu dem Strom des Abgases zu emittieren, der die Partikelstoffe enthält, wo das Abgas in das zylindrische Gehäuse (H) von dem Abgasdurchgang (11) eingeführt wird.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat die Abgasreinigungsvorrichtung ferner eine Steuereinheit (5), die die Größe der Hochspannung, die zu dem Koronaentladungsabschnitt (22) der Koronaentladungselektrode (2) zuzuführen ist, steuert. Die Steuereinheit (5) bestimmt die Größe der Hochspannung gemäß der Menge der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird. In einem konkreten Beispiel ist es vorzuziehen, dass die Steuereinheit (5) die Energie, die zum Oxidieren der Partikelstoffe erforderlich ist, die in dem Abgas enthalten sind, berechnet und die DC-Spannungsquelle anweist, damit diese die Hochspannung effizient zu dem Koronaentladungsabschnitt (22) der Koronaentladungselektrode (2) zuführt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat die Abgasreinigungsvorrichtung ferner einen Sammelabschnitt (50). Es ist vorzuziehen, dass der Sammelabschnitt (50) an dem Koronaentladungsbereich oder an einer stromabwärtigen Seite des Koronaentladungsabschnitts (22) in dem zylindrischen Gehäuse (H) angeordnet ist. Zusätzlich zu der Oxidation der Partikelstoffe wird ein Teil der Partikelstoffe aufgeladen und durch einen Teil der Energie entsprechend der Hochspannung aneinander gehaftet, die zu der Koronaentladungselektrode (2) zugeführt wird. Der Sammelabschnitt (50) sammelt und fängt die aufgeladenen und aneinander gehafteten Partikelstoffe. Somit kann der Aufbau der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Partikelstoffe zusätzlich zur Durchführung der Oxidation der Partikelstoffe aufladen, aneinanderhaften, sammeln und einfangen. Es ist vorzuziehen, den Sammelabschnitt (50), der die aufgeladenen und aneinander gehafteten Partikelstoffe einfangen kann, anzuordnen. Das verhindert, dass die Partikelstoffe aus der Vorrichtung (1, 1-1 und 1-2) ausgestoßen werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat die Abgasreinigungsvorrichtung ferner einen zylindrischen leitfähigen Abschnitt (31) in einer hohlen und maschenartigen Form, der entlang einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Gehäuses (H) angeordnet ist. Ein hohler Raum in dem zylindrischen leitfähigen Abschnitt (31) dient als Sammelabschnitt. Die Partikelstoffe werden in dem hohlen Raum in dem zylindrischen leitfähigen Abschnitt gesammelt und eingefangen. In einem konkreten Beispiel dient der zylindrische leitfähige Abschnitt (31) mit einer hohlen und maschenartigen Gestalt als Sammelabschnitt (50) und als gegenüberliegende Elektrode (3).
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein bevorzugtes, nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1A ist ein schematischer Schnitt des gesamten Aufbaus einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1B ist ein Diagramm, das den Verbindungszustand der Abgasreinigungsvorrichtung mit einer Brennkraftmaschine zeigt und die Koronaentladung in der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, das in 1A gezeigt ist;
1C ist ein Diagramm, das einen Mechanismus zum Reinigen von Partikelstoffen zeigt, die in dem Abgas enthalten sind, das durch die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel strömt, das in 1A gezeigt ist;
2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer notwendigen Energie zum Oxidieren der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, und der Menge der Partikelstoffe zeigt, die in dem Abgas enthalten sind;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung für die Energie, die zu der Abgasreinigungsvorrichtung zuzuführen ist, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
4A ist ein Diagramm, das eine Bewertungsvorrichtung zum Bewerten der Wirkung der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4B zeigt die Bewertungsergebnisse, die durch die in 4A gezeigte Bewertungsvorrichtung erhalten werden;
5 ist ein schematischer Schnitt des gesamten Aufbaus einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Diagramm, das das Partikelstoffreinigungsvefahren erklärt, das durch die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;
7A und 7B sind Diagramme, die jeweils die Wirkung der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
8 ist ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung der zugeführten Energie in der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 ist ein Diagramm, das eine Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt und das Partikelstoffreinigungsverfahren erklärt, das durch die Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 durchgeführt wird.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden verschiedenartige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenartigen Ausführungsbeispiele bezeichnen ähnliche Bezugszeichen oder Nummern ähnliche oder äquivalente Bauteile durch die vielzähligen Diagramme.
Erstes Ausführungsbeispiel
Eine Beschreibung der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1A bis 4B angegeben.
1A ist ein schematischer Schnitt des gesamten Aufbaus der Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Abgasreinigungsvorrichtung 1 wird auf eine Dieselkraftmaschine 41 angewendet. 1B ist ein Diagramm, das den Verbindungszustand zwischen der Abgasreinigungsvorrichtung 1 und einer Dieselkraftmaschine 41 als Brennkraftmaschine zeigt. 1B zeigt ebenso die Koronaentladung in der Abgasreinigungsvorrichtung 1, die in 1A gezeigt ist. Die rechte Seite in 1B zeigt die Koronaentladung in der Abgasreinigungsvorrichtung 1, die in 1A gezeigt ist.
Wie in 1A und in 1B gezeigt ist, ist die Abgasreinigungsvorrichtung 1 in einem zylindrischen Gehäuse H angeordnet. Das zylindrische Gehäuse H ist mit dem Abgasrohr 42 der Dieselkraftmaschine 41 verbunden. Eine Koronaentladungselektrode 2 und eine Masseelektrode 3 (als gegenüberliegende Elektrode) sind in dem zylindrischen Gehäuse H angeordnet. Die Koronaentladungselektrode 2 und die Masseelektrode 3 weisen zueinander in dem zylindrischen Gehäuse H. Die Masseelektrode 3 ist an dem Innenwandabschnitt des zylindrischen Gehäuses H ausgebildet, das die Koronaentladungselektrode 2 umgibt. Das zylindrische Gehäuse H hat einen Durchmesser, der von demjenigen des Abgasrohrs 42 verschieden ist. Die Innenseite des zylindrischen Gehäuses H hat einen kreisförmigen Querschnitt und dient als Abschnitt des Abgasdurchgangs 11. Beide Endabschnitte des zylindrischen Gehäuses H haben einen kleinen Durchmesser, der derselbe wie der Durchmesser des Abgasrohrs 42 ist, sodass diese sich miteinander verbinden.
Wie in 1A gezeigt ist, steht die Koronaentladungselektrode 2 nach außen von dem zylindrischen Gehäuse H durch die zylindrische Wand vor (nämlich in Richtung auf die Oberseite in 1A). Der Abschnitt der oberen Hälfte der Koronaentladungselektrode 2 ist nämlich an der Außenseite des zylindrischen Gehäuses H angeordnet. Andererseits ist der Abschnitt der unteren Hälfte des zylindrischen Gehäuses H an der Innenseite des Abgasdurchgangs 11, nämlich an der Innenseite des zylindrischen Gehäuses H angeordnet.
Wie in 1A gezeigt ist, ist eine Stützplatte 12 an der Oberseitenwand des zylindrischen Gehäuses H unter Verwendung einer Schraube zum Fixieren der Koronaentladungselektrode 2 an dem zylindrischen Gehäuse H und zum Abdichten eines Öffnungsabschnitts fixiert, der an der Oberseitenwand des zylindrischen Gehäuses H ausgebildet ist. Ein Außengewinde, das an dem äußeren Umfang eines Isolatorabschnitts 23 der Koronaentladungselektrode 2 ausgebildet ist, ist nämlich mit einem Innengewindeabschnitt gepaart, der an der Stützplatte 12 mit einer Mutter 13 ausgebildet ist.
Die Koronaentladungselektrode 2 besteht aus einem leitfähigen Abschnitt 21 mit einer Stabform und einem Entladungsabschnitt 22. Der äußere Umfang eines Abschnitts des leitfähigen Abschnitts 21 ist mit dem Isolatorabschnitt 23 bedeckt und durch diesen gestützt. Der Entladungsabschnitt 22 (siehe Oberseite von 1A) ist an dem vorderen Abschnitt des leitfähigen Abschnitts 21 ausgebildet, der nicht mit dem Isolatorabschnitt 23 bedeckt ist, wie in 1A gezeigt ist.
Das entfernte Ende des leitfähigen Abschnitts 21 ist elektrisch mit einer (nicht gezeigten) Gleichstromquelle (DC-Quelle) verbunden. Das entfernte Ende des leitfähigen Abschnitts 21 ist an der Außenseite des Gehäuses H angeordnet und steht von dem Isolatorabschnitt 23 vor. Das entfernte Ende des leitfähigen Abschnitts 21 ist an der Außenseite des zylindrischen Gehäuses H angeordnet und steht von dem Isolatorabschnitt 23 vor. Das entfernte Ende des leitfähigen Abschnitts 21 ist elektrisch mit einer (nicht gezeigten) Gleichstromquelle verbunden. Andererseits hat der vordere Abschnitt des leitfähigen Abschnitts 21 die Form des Buchstabens „L” und ist von dem Isolatorabschnitt 23 freigelegt. Der vordere Abschnitt des leitfähigen Abschnitts 21 ist nämlich dem Abgas ausgesetzt, das in dem zylindrischen Gehäuse H strömt.
Der vordere Abschnitt, der sich von dem gekrümmten Abschnitt des leitfähigen Abschnitts 21 erstreckt, ist nämlich parallel entlang der axialen Richtung des Abgasdurchgangs 11 ausgebildet. Die elektrische Leistung der (nicht gezeigten) Gleichstromquelle wird zu dem Entladungsabschnitt 22 zugeführt, der an der Oberseite des leitfähigen Abschnitts 21 mit der Form des Buchstabens „L” ausgebildet ist.
Der Entladungsabschnitt 22 hat im Wesentlichen eine kreisförmige Scheibenform. Eine Vielzahl von Vorsprüngen ist radial an dem äußeren Umfang des Entladungsabschnitts 22 ausgebildet. Das Ausbilden der radialen Vorsprünge kann die Entladungseffizienz vergrößern und erzeugt die Koronaentladung einheitlich. Der Aufbau kann die Leistungsfähigkeit zum Reinigen des Abgases verbessern, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird.
Als nächstes wird eine Beschreibung des Mechanismus der Abgasreinigungsvorrichtung zum Reinigen des Abgases angegeben, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird.
Wie in 1B gezeigt ist, wird das Abgas während der Verbrennung der Brennkraftmaschine erzeugt und wird in den Abgasdurchgang 42 (nämlich das Abgasrohr) ausgestoßen. Das Abgas enthält Partikelstoffe. Die Partikelstoffe haben üblicherweise eine Partikelabmessung innerhalb eines Bereichs von 0,01 μm bis zu mehreren μm, enthalten nämlich Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern. Es besteht die Möglichkeit, dass diese Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern durch einen üblichen Dieselpartikelfilter (DPF) hindurchtreten, der an dem Abgasdurchgang 42 montiert ist, der mit der Dieselkraftmaschine 41 verbunden ist.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 1 ist mit einer Steuereinheit 5 ausgestattet. Die Steuereinheit 5 steuert die DC-Hochspannungsquelle (aus den Zeichnungen weggelassen), um die DC-Spannung zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen. Wenn die Steuereinheit 5 die DC-Hochspannungsquelle anweist, eine negative DC-Spannung zu dem leitfähigen Abschnitt 21 der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen, wird die Koronaentladung in dem Bereich in der Nähe des vorstehenden Abschnitts erzeugt, der an dem vorderen Endabschnitt des Entladungsabschnitts 22 ausgebildet ist. Wie in 1A bis 1C gezeigt ist, haben Elektronen, die durch die Koronaentladung abgegeben werden, eine hohe Energie. Die Elektronen, die von dem vorderen Abschnitt des Entladungsabschnitts 22 abgegeben werden, werden an den Sauerstoff angehaftet, der in dem Abgas enthalten ist, und erzeugen Sauerstoffionen. Die erzeugten Sauerstoffionen kollidieren mit den Partikelstoffen in der Größenordnung von Nanometern, die in dem Abgas enthalten sind, sodass diese reagieren.
1C ist ein Diagramm, das einen Mechanismus zum Reinigen der Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern zeigt, die in dem Abgas enthalten sind, das durch die Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel strömt, das in 1A gezeigt ist.
Wie in 1C gezeigt ist, werden dann, wenn die Energie, die in der Koronaentladung erzeugt wird, zu den Partikelstoffen (C) der Größenordnung von Nanometern und den Sauerstoffmolekülen (O₂) zugeführt wird, diese aktiviert und reagieren. Kohlendioxid (CO₂) wird nämlich durch die Reaktion der Partikelstoffe (C) der Größenordnung von Nanometern und Sauerstoffionen (O₂ ^–) erzeugt, da die Energie, die durch die Koronaentladung erzeugt wird, größer als die Aktivierungsenergie der Sauerstoffreaktion ist.
Gemäß der Abgasreinigungsvorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Partikelstoffe der Größenordnung von Nanometern, die in dem Abgas enthalten sind, durch effektives Verwenden der Energie, die durch die Koronaentladung erzeugt wird, zu reinigen, da die Partikelstoffe der Größenordnung von Nanometern direkt in Kohlendioxid (CO₂) als Gasmoleküle umgewandelt werden.
Die Steuereinheit 5 steuert die Menge der Energie, die zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen ist. Die Menge der Energie, die zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen ist, wird auf der Grundlage der Menge der Partikelstoffe der Größenordnung von Nanometern bestimmt, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Dieselkraftmaschine 41 als Brennkraftmaschine abgegeben wird.
Die Steuereinheit 5 steuert den Betrag der Koronaentladung zum Erzeugen der Energie, die zum Oxidieren der Partikelstoffe der Größenordnung von Nanometern notwendig ist, die in dem Abgas enthalten sind, das in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 einzuführen ist.
2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer notwendigen Energie zum Oxidieren der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, und der Menge der Partikelstoffe zeigt, die in dem Abgas enthalten sind.
Wenn die Menge der Partikelstoffe, die in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 einzuführen sind, MO (g/h) ist, ist die Energie, die zum Aktivieren von Kohlendioxid entsprechend der Energie MO nicht weniger als EO (kJ/h). Es kann nämlich aus 2 entnommen werden, dass die Koronaentladung die Energie von nicht weniger als der Energie EO (kJ/h) erzeugt.
Die Energie E, die zum Oxidieren der Partikelstoffe notwendig ist, kann unter Verwendung der folgenden Gleichung (1) berechnet werden. E (kJ/h) = (M/m)·Ea (1)wobei E (kJ/h) die Energie ist, die notwendig zum Oxidieren von PM ist (zum Aufladen, Anhaften und Einfangen von PM durch die Abgasreinigungsvorrichtung 1), M (g/h) die Menge (oder das Gewicht) von eingefangenem PM ist, m ein Kohlenstoffmolekulargewicht (m = 12) ist und Ea die Aktivierungsenergie (Ea = 236 kJ/mol) ist.
Andererseits kann die Energie, die durch die Koronaentladung erzeugt wird, unter Verwendung der folgenden Gleichung (2) berechnet werden. Ec = Ev·la·t (2)wobei Ev eine Zufuhrspannung (Ev(kV)) ist, la ein Strom ist (la(A)) und t eine Zeit (t(s)) ist.
Aus der Gleichung (1) wird beispielsweise, da die Energie, die zum Oxidieren (oder Reinigen) der Partikelstoffe notwendig ist, E = 24 (kJ/h) ist, wenn MO = 1,2 (g/h) ist, EO zu ≥ 24 (kJ/h). Demgemäß ermöglicht die Energie von nicht weniger als EO ≥ 24 (kJ/h), dass die Partikelstoffe in der Abgasreinigungsvorrichtung 1 gereinigt werden.
Aus Gleichung (2) ist es möglich, die Beziehung von E0 = Ec ≥ 24 (kJ/h) durch die folgende Gleichung (3) zu erhalten. Ec = Ev·la·t = 13 × 0,5 × 10–3 × 602 = 24 (kJ/h) (3)
Es ist nämlich möglich, die Energie von nicht weniger als der Aktivierungsenergie zu erhalten, wenn der Strom la = 0,5 (mA) ist und die negative DC-Spannung nicht geringer als Ev = –13 (kV) ist, wobei die negative DC-Spannung dem leitfähigen Abschnitt 21 von der (nicht gezeigten) DC-Hochspannungsquelle unter der Steuerung der Steuereinheit 5 zugeführt wird.
Obwohl die Koronaentladungselektrode 2 im Wesentlichen an dem mittleren Abschnitt des Koronaentladungsbereichs angeordnet ist, der eine hohe Konzentration von Partikelstoffen in der Abgasströmung aufweist, tritt ein Energieverlust durch die Verteilung der Partikelstoffe in dem Abgas auf, die in dem Koronaentladungsbereich vorhanden sind. Zum Vermeiden eines solchen Energieverlustes ist es vorzuziehen, die Energie E1 (= 1,5 × E0) zu dem leitfähigen Abschnitt der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen. Im Hinblick darauf und aus den Gleichungen (1) und (2) ist es ausreichend, die Spannung Ev = –20 (kV) zuzuführen, um die Energie E1 ≥ 36 (kJ/h) zu erhalten, wenn der Strom la = 0,5 (mA) ist. Das kann die angemessene Reinigungsfunktion der Abgasreinigungsvorrichtung 1 zur Verfügung stellen.
Gemäß der Abgasreinigungsvorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels, das vorstehend beschrieben ist, stellt die Steuereinheit 5 den Betrag der Spannung, die zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen ist, gemäß der Menge (oder dem Gewicht) der Partikelstoffe ein, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird. Da die Abgasreinigungsvorrichtung 1 die Menge der Energie steuern kann, die zum Reinigen des Abgases notwendig ist, das die Partikelstoffe enthält, ist es somit möglich, die Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird, ohne Energieverlust einzufangen und zu beseitigen.
3 ist ein Ablaufdiagramm zum Steuern der DC-Spannung (gemäß der Koronaentladungsenergie), die zu der Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zuzuführen ist.
In Schritt S1 gibt die Steuereinheit 5 Informationen bezüglich der Last und der Drehzahl der Dieselkraftmaschine 41 ein. Der Betriebsablauf schreitet zu Schritt S2 voran.
In Schritt S2 berechnet die Steuereinheit 5 die Menge (oder das Gewicht) M (g/h) der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Dieselkraftmaschine 41 abgegeben wird, auf Grundlage der Last- und Drehzahlinformationen. Beispielsweise ist es möglich, ein Kennfeld herzustellen, das die Beziehung zwischen einer Menge (oder einem Gewicht) von Partikelstoffen, einer Last und einer Drehzahl der Dieselkraftmaschine 41 angibt, und dieses in einer Speichereinheit (nicht gezeigt) in der Steuereinheit 5 zu speichern. Der Betriebsablauf schreitet dann zu Schritt S3 voran.
In Schritt S3 beurteilt die Steuereinheit 5, ob die Menge (oder das Gewicht) M (g/h) der Partikelstoffe, die in Schritt S2 berechnet wird, nicht weniger als null ist oder nicht (M > 0).
Wenn das Beurteilungsergebnis „JA” (M > 0) in Schritt S3 anzeigt, schreitet der Betriebsablauf zu Schritt S4 voran.
Wenn andererseits das Ergebnis in Schritt S3 „NEIN” ist, wird der Betriebsablauf zu Schritt S1 zurückgeführt. Dieser Zustand zeigt das Auftreten der folgenden Fälle (a), (b) an, und es besteht kein Bedarf, die Abgasreinigungsvorrichtung 1 zu betreiben.

(a) Das Abgas enthält keine Partikelstoffe, da die Dieselkraftmaschine 41 mit einem hohen Verbrennungswirkungsgrad arbeitet, wenn die Last hoch ist; und
(b) da die Temperatur des Abgases hoch ist und die Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, automatisch verbrannt und beseitigt werden.

Da die vorstehend genannten Fälle (a) und (b) (wenn die Bedingung von „NEIN” (M > 0) in Schritt S3 beispielsweise vorliegt) die Abgasreinigungsvorrichtung 1 nicht benötigen, ist es somit möglich, den Energieverlust durch Zuführen von keiner DC-Spannung zu der Koronaentladungselektrode 2 in der Abgasreinigungsvorrichtung 1 zu verringern.
In Schritt S4 berechnet die Steuereinheit 5 die notwendige Energie E1 zum Oxidieren der Partikelstoffe mit der Menge (oder dem Gewicht) M (g/h) der Partikelstoffe, die in Schritt S2 berechnet wird, und bestimmt die DC-Spannung Ev, die zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen ist. Der Betriebsablauf schreitet zu Schritt S5 voran.
In Schritt S5 weist die Steuereinheit 5 die DC-Energiequelle (nicht gezeigt) an, die vorbestimmte Spannung Ev zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen. Der Betriebsablauf wird dann zu Schritt S1 zurückgeführt.
Der vorstehend genannte Prozess steuert die vorbestimmte Spannung Ev gemäß dem Betriebszustand der Dieselkraftmaschine 41, um die Koronaentladung zu erzeugen und um die Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Dieselkraftmaschine 41 abgegeben wird, effizient zu oxidieren. Nun wird eine Beschreibung des Bewertungsversuchs zum Bewerten der Wirkung der Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 4A und 4B angegeben.
4A ist ein Diagramm, das eine Bewertungsvorrichtung zum Bewerten der Wirkung der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. 4B zeigt die Bewertungsergebnisse, die von der in 4A gezeigten Bewertungsvorrichtung erhalten werden.
In dem Experiment zum Bewerten der Wirkung der Abgasreinigungsvorrichtung 1 erzeugt eine Erzeugungsvorrichtung 6 für Partikelstoffe (PM) ein Abgas und führt sie das Abgas in die Abgasreinigungsvorrichtung 1. Zusätzlich wurde Luft, die in einem Luftzylinder (oder einem Kessel) enthalten ist, in die Abgasreinigungsvorrichtung 1 zugeführt. Als nächstes wurde die Koronaentladung in der Abgasreinigungsvorrichtung 1 erzeugt, die mit einem CO₂-Sensor 8 ausgestattet ist, der an einer stromabwärtigen Seite des Koronaentladungsbereichs angeordnet ist. Der CO₂-Sensor 8 erfasste die Konzentration von Kohlendioxid CO₂, das in dem Abgas enthalten ist. Dieser CO₂-Sensor 8 erfasst die Konzentration in ppm (parts per million) von CO₂ in dem Abgas.
Da es notwendig ist, die Bewertung bei Raumtemperatur vorzunehmen, wurden die Partikelstoffe durch die PM-Erzeugungsvorrichtung 6 und nicht unter Verwendung einer tatsächlichen Dieselkraftmaschine erzeugt.
4B zeigt die Bewertungsergebnisse der Konzentration von Kohlendioxid CO₂, das in dem Abgas enthalten ist, unter den Bedingungen für die Menge (oder das Gewicht) Qp = 3,9 (g/min) von Partikelstoffen, einer Luftdurchflussmenge von 7,6 (L/min) und der notwendigen Energie, die durch die in 3 gezeigte Prozedur auf der Grundlage der in 2 gezeigten Beziehung berechnet wird.
Wie klar in 4B gezeigt ist, wird die Konzentration von Kohlendioxid CO₂ rasch von dem Zeitpunkt Ts erhöht, zu dem die Abgasreinigungsvorrichtung 1 den Betrieb aufnimmt. Das bedeutet, dass der Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung 1 die Koronaentladung erzeugt, die Oxidation der Partikelstoffe dadurch durchgeführt wird und als Folge die Menge (oder das Gewicht) von Kohlendioxid CO₂ erzeugt wird. Die Menge des Kohlendioxids CO₂, das in dem Abgas enthalten ist, ist von dem Zeitpunkt Ts zum Zeitpunkt Te hoch, während die Abgasreinigungsvorrichtung 1 in Betrieb ist. Somit hält der Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung 1 den Zustand hoher Konzentration von Kohlendioxid CO₂ aufrecht. Jedoch wird die Konzentration des Kohlendioxids CO₂ nach dem Zeitpunkt Te verringert, zu dem die Abgasreinigungsvorrichtung 1 den Betrieb anhält. Die Konzentration des Kohlendioxids CO₂, das in dem Abgas enthalten ist, wird schließlich auf die Ursprungskonzentration des Kohlendioxids CO₂ vor dem Zeitpunkt Ts zurückgeführt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Eine Beschreibung des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 5 bis 8 angegeben.
5 ist ein schematischer Schnitt des gesamten Aufbaus einer Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel reinigt das Abgas, das Partikelstoffe (PM) enthält, unter Verwendung von Aufladen, Anhaften und Sammeln von Partikelstoffen zusätzlich zu der Oxidation, die in dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird.
Die Masseelektrode 3 in der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 hat einen Sammelabschnitt 50 und dient ebenso als Staubsammelelektrode. Der Sammelabschnitt 50 sammelt geladene Partikelstoffe und fängt diese ein. Die anderen Bauteile der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1, die in 5 gezeigt ist, sind dieselben wie diejenigen in der Abgasreinigungsvorrichtung 1, die in 1B gezeigt ist. Daher wird eine Erklärung von denselben Bauteilen an dieser Stelle weggelassen.
Wie vorangehend beschrieben ist, erhöht sich die Energie, die zum Reinigen des Abgases notwendig ist, je mehr die Menge (oder das Gewicht) der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, sich erhöht. Beispielsweise ist es in einem Zustand niedriger Spannung einer Batterie als DC-Energiequelle (nicht gezeigt) schwierig, der Koronaentladungselektrode 2 die Energie zuzuführen, die angemessen der Menge (oder dem Gewicht) der Partikelstoffe entspricht, die in dem Abgas enthalten sind. Das würde einen Mangel der Aktivierungsenergie verursachen.
Zum Vermeiden dieser Situation bestimmt die Steuereinheit 5 in der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel den Betrag einer verfügbaren Energie, die zu der Koronaentladungselektrode 2 zugeführt werden kann. Insbesondere lädt die Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Teil der Partikelstoffe in dem Abgas auf. Die aufgeladenen Partikelstoffe werden elektrisch aneinander gehaftet und elektrostatisch gesammelt und schließlich eingefangen, wie in 5 gezeigt ist.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 reinigt ferner die übrigen Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, auf der Grundlage der Oxidation wie die Abgasreinigungsvorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 werden dann, wenn die Koronaentladung erzeugt wird, Elektronen in dem Abgas erzeugt. Ein Teil der Elektronen erzeugt negative Ionen von Sauerstoffmolekülen mit einer hohen Elektronenaffinität. Die negativen Ionen der Sauerstoffmoleküle werden an benachbarte Partikelstoffe (PM in der Größenordnung von Nanometern, wie in 5 gezeigt ist) angehaftet. Als Folge erzeugt die Anhaftung ein negativ geladenes PM im Nanometerbereich, wie in 1) bis 5) von 5 gezeigt ist. Die negativ geladenen PM im Nanometerbereich, die durch den Abgasdurchgang strömen, werden graduell an die Masseelektrode 3 als Staubsammler angezogen. Die Masseelektrode 3 mit dem Sammelabschnitt 50 ist nämlich an dem Bodenabschnitt des Abgasdurchgangs in der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 angeordnet. Wenn die negativ geladenen PM im Nanometerbereich in Richtung auf den Bodenabschnitt des Abgasdurchgangs angezogen werden, werden sie graduell von dem Hauptstrom der Abgasströmung getrennt. Wenn die negativ geladenen PM im Nanometerbereich in Kontakt mit der Masseelektrode 3 gebracht werden, die an dem Bodenabschnitt des Abgasdurchgangs angeordnet ist, werden die negativ geladenen PM im Nanometerbereich entladen und abschließend an dem Bodenabschnitt des Abgasdurchgangs angesammelt.
6 ist ein Diagramm, das das Partikelstoffreinigungsverfahren erklärt, das durch die Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
Wie in 6 gezeigt ist, wird die Prozedur zum Reinigen des Abgases gemäß der Menge (oder dem Gewicht) der Partikelstoffe bestimmt, die in dem Abgas enthalten sind, und wird Energie aufgebracht. 6 zeigt die drei Bereiche für die Partikelstoffe (PM), den CO₂-Bereich für PM, den Lade- und Einfangbereich für PM und den CO₂-+-Lade- und -einfangbereich für PM. In dem CO₂-Bereich wird die Oxidation für die Partikelstoffe durchgeführt. Der in 6 gezeigte CO₂-Bereich entspricht dem Zustand, dass die Menge (oder das Gewicht) der Partikelstoffe gering ist und die Energie groß ist, die zuzuführen ist.
Andererseits entspricht der Lade- und Einfangbereich für PM, der in 6 gezeigt ist, dem Zustand, dass die Menge (oder das Gewicht) der Partikelstoffe groß ist und die Zufuhrenergie (kJ/h) gering ist.
Der CO₂-+-Lade- und -einfangbereich für PM, der in 6 gezeigt ist, ist ein Zwischenbereich zwischen dem CO₂-Bereich und dem Lade- und Einfangbereich.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird eine Kombination in den drei Bereichen, die in 6 gezeigt sind, gemäß der verfügbaren Energie ausgewählt, die zuzuführen ist, und kann die Reinigung des Abgases, das die Partikelstoffe enthält, effizient auf der Grundlage der Kombination durchgeführt werden.
7A und 7B sind Diagramme, die jeweils die Wirkung der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.
7A und 7B zeigen das Bewertungsergebnis des angehafteten und gesammelten Zustands der Partikelstoffe, wenn die DC-Spannung zu der Koronaentladungselektrode 2 zugeführt wird.
7A zeigt die Verteilung einer Partikelabmessung von Partikelstoffen, die an der Masseelektrode 3 gesammelt werden, die an dem Bodenabschnitt des Abgasdurchgangs angeordnet ist, wenn die zugeführte Spannung null beträgt, wenn nämlich keine Koronaentladung erzeugt wird.
Andererseits zeigt 7B die Verteilung einer Partikelabmessung von Partikelstoffen, die an der Masseelektrode 3 gesammelt werden, die an dem Bodenabschnitt des Abgasdurchgangs angeordnet ist, wenn die zugeführte Spannung –10 V beträgt.
Aus dem in 7A gezeigten experimentellen Ergebnis kann entnommen werden, dass der Spitzenwert der Verteilung der Partikelgröße der an der Masseelektrode 3 gesammelten Partikelstoffe nicht größer als 1 μm ist. Anders gesagt zeigt 7A klar, dass die Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird, Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von nicht mehr als 1 μm haben.
Andererseits zeigt 7B klar, dass es keinen Spitzenwert in der Verteilung der Partikelgröße der Partikelstoffe gibt. Die Menge großer Partikelstoffe, die die Partikelgröße innerhalb eines Bereichs von 5 bis 10 μm haben, wird im Vergleich mit dem Fall (ohne Anlegen jeglicher Spannung) erhöht, wie in 7A gezeigt ist. Daher kann erkannt werden, dass Partikelstoffe in der Größenordnung von Nanometern, die in dem Abgas enthalten sind, aufgeladen, aneinander gehaftet und an der Masseelektrode 3 gesammelt werden.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das die Energiesteuerung zeigt, die zu der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zuzuführen ist.
Die Steuereinheit 5 in der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel führt die in 8 gezeigte Prozedur aus.
In Schritt S11 liest die Steuereinheit 5 die Informationen hinsichtlich Last und Drehzahl der Dieselkraftmaschine 41 ein, die in der (nicht gezeigten) Speichervorrichtung gespeichert sind.
In Schritt S12 berechnet die Steuereinheit 5 die Menge (oder das Gewicht) M (g/h) der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Dieselkraftmaschine 41 abgegeben wird. Es ist ebenso möglich, im Voraus die Informationen hinsichtlich der Beziehung zwischen der Menge (oder dem Gewicht) M (g/h) der Partikelstoffe, der Last und der Drehzahl zu erhalten und die Informationen in der Speichervorrichtung in der Steuereinheit 5 zu speichern.
In Schritt S13 beurteilt die Steuereinheit 5, ob die Menge (oder das Gewicht) M der Partikelstoffe nicht geringer als null ist oder nicht (M > 0). Wenn die Beurteilung des Ergebnisses „JA” in Schritt S13 anzeigt, schreitet der Betriebsablauf zu Schritt S14 voran.
Wenn andererseits das Beurteilungsergebnis „NEIN” in Schritt S13 anzeigt, wird der Betriebsablauf zu Schritt S11 zurückgeführt.
In Schritt S14 liest die Steuereinheit 5 eine Batteriespannungsinformation ein und berechnet dann die Spannung entsprechend der verfügbaren Energie, die zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen ist, auf der Grundlage der erhaltenen Batteriespannungsinformation. Der Betriebsablauf schreitet zu Schritt S15 voran.
In Schritt S15 berechnet die Steuereinheit 5 die verfügbare Energie, die zu der Koronaentladung für das Abgas zuzuführen ist. Es ist möglich, auf der Grundlage des Berechnungsergebnisses den Fall zu beseitigen, in dem es schwierig ist, die Energie zuzuführen, die zum Oxidieren der Menge (oder des Gewichts) M (g/h) der Partikelstoffe zu oxidieren.
Die Einstellung der verfügbaren Energie, die zu dem Abgas durch die Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen ist, kann nämlich eine höhere Effizienz der Reinigung der Partikelstoffe vornehmen, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Dieselkraftmaschine 41 abgegeben wird. Der Betriebsablauf schreitet dann zu Schritt S16 voran.
In Schritt S16 bestimmt die Steuereinheit 5 das Verfahren zum Reinigen der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, unter Verwendung der Beziehung zwischen der berechneten Menge (oder des Gewichts) M (g/h) der Partikelstoffe und der verfügbaren Energie, die zuzuführen ist, wie in 6 gezeigt ist.
Das zu bestimmende Reinigungsverfahren ist eines von folgenden:

(a-1) die Reinigung unter Verwendung der Oxidationsreaktion der Partikelstoffe (CO₂-Bereich für PM);
(a-2) die Reinigung unter Verwendung der Sammlung der Partikelstoffe (Auflade- und Einfangbereich für PM); und
(a-3) die Reinigung unter Verwendung der Kombination der vorstehend genannten Reinigungen (a-1) und (a-2).

Der Betriebsablauf schreitet zu Schritt S17 voran. In Schritt S17 weist die Steuereinheit 5 die DC-Energiequelle an, der Koronaentladungselektrode 2 die Energie entsprechend der verfügbaren Energie zuzuführen, die vorstehend berechnet wurde. Somit wird die Koronaentladung um die Koronaentladungselektrode 2 in dem Abgasdurchgang erzeugt.
In Schritt S18 berechnet die Steuereinheit 5 die eingefangene Menge Mc (den Akkumulationswert) der aufgeladenen und eingefangenen Partikelstoffe. In Schritt S19 beurteilt die Steuereinheit 5, ob die Menge (oder das Gewicht) Mc der eingefangenen Partikelstoffe größer als eine zulässige Einfangmenge ist oder nicht (Mc > zulässige Einfangmenge).
Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S19 „JA” anzeigt, wird der Betriebsablauf zu Schritt S17 zurückgeführt. Wenn andererseits das Beurteilungsergebnis in Schritt S19 „NEIN” anzeigt, schreitet der Betriebsablauf zu Schritt S20 voran.
In Schritt S20 weist die Steuereinheit 5 eine Warneinrichtung (nicht gezeigt), wie z. B. einen Summer oder eine Alarmeinrichtung an, den Fahrzeugfahrer darüber zu informieren, dass die Menge der eingefangenen Partikelstoffe über der zulässigen Einfangmenge liegt.
Es ist möglich, die Reinigung der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Dieselkraftmaschine 51 als Brennkraftmaschine abgegeben wird, durch effektives Kombinieren des Verfahrens zum Aufladen und Sammeln der Partikelstoffe und des Verfahrens unter Verwendung der Oxidation der Partikelstoffe mit einer hohen Effizienz durchzuführen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Eine Beschreibung des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 9 angegeben.
9 ist ein Diagramm, das eine Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt und das Partikelstoffreinigungsverfahren erklärt, das durch die Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 durchgeführt wird.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hat ferner eine Einfangeinheit 31 (als einen zylindrischen leitfähigen Abschnitt) zusätzlich zu den Bauteilen der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 des in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels. Die Einfangeinheit 31 fängt die geladenen und gesammelten Partikelstoffe ein.
Wie in 9 gezeigt ist, hat das Gehäuse H der Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 die Einfangeinheit 31, die sich von dem Boden der Masseelektrode 3 an der stromabwärtigen Seite der Koronaentladungselektrode 2 erstreckt. Im Einzelnen hat die Einfangeinheit 31 einen zylindrischen leitfähigen Körper mit einer maschenartigen hohlen Gestalt. Das Innere des zylindrischen leitfähigen Körpers der Einfangeinheit 31 ist ein hohler Abschnitt. Somit kann das Abgas durch die Einfangeinheit 31 einer maschenartigen hohlen Gestalt strömen. Die Einfangeinheit 31 einer maschenartigen hohlen Gestalt hat eine Vielzahl von Löchern, die mit dem Abgasdurchgang 11 in Verbindung stehen. Andere Bauteile der Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind dieselben wie diejenigen in der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 des zweiten Ausführungsbeispiels. Daher wird die Erklärung derselben Bauteile an dieser Stelle weggelassen.
Wie der Aufbau der Abgasreinigungsvorrichtung 1-1 des zweiten Ausführungsbeispiels kann der Aufbau der Abgasreinigungsvorrichtung 1-2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die Koronaentladung in dem Abgasdurchgang erzeugen und werden die geladenen Partikelstoffe dadurch erzeugt (siehe 1) und 2) in 9) unter Verwendung der Kombination der Verfahren, die vorangehend erklärt wurden und in 5 bis 8 gezeigt sind.
Die geladenen Partikelstoffe werden aneinander gehaftet und werden dann in Richtung auf die Seite der Masseelektrode 3 angezogen. Diese Masseelektrode 3 dient als Sammelelektrode unter Verwendung einer coulombschen Kraft. Die gesammelten Partikelstoffe werden dann zu dem inneren Umfang des Abgasdurchgangs 11 bewegt und abschließend von der Seite des Abgasdurchgangs 11 zu dem Innenraum des hohlen Abschnitts der Einfangeinheit 31 mit einem maschenartigen Aufbau durch eine Vielzahl von Öffnungen von diesem bewegt. Die gesammelten Partikelstoffe werden zu dem Ende der Einfangeinheit 31 bewegt und dort entladen. Die entladenen Partikelstoffe werden gesammelt und hier gehalten (siehe 3), 4) und 5) wie in 9 gezeigt ist).
Wie vorstehend im Einzelnen beschrieben ist, ist es möglich, zu verhindern, dass die geladenen und gesammelten Partikelstoffe in der Einfangeinheit 31 sich in die Abgasströmung durch die Einfangeinheit 31 mischen, die die Filterfunktion hat.
Die Maschenweite des zylindrischen leitfähigen hohlen Körpers der Einfangeinheit 31 wird von dem Standpunkt ausgehend bestimmt, dass verhindert werden soll, dass die Partikelstoffe, die eine Partikelgröße innerhalb des Bereichs von 1 μm bis 10 μm haben, durch die Einfangeinheit 31 hindurchtreten. Es ist notwendig, dass die Einfangeinheit 31 den hohlen Abschnitt hat, der darin die eingefangenen Partikelstoffe angemessen ansammelt. Es ist ferner vorzuziehen, die Maschenweite und die Tiefe des hohlen Abschnitts in der Einfangeinheit 31 einzustellen, um die Partikelstoffe mit einer hohen Effizienz einzufangen und anzusammeln.
Da die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Abgas, das Partikelstoffe enthält, die von einer Brennkraftmaschine abgegeben werden, wie z. B. von einer Dieselkraftmaschine, durch die Kombination eines Aufladens, Sammelns und Filterns der Partikelstoffe zusätzlich zum Oxidieren der Partikelstoffe reinigen kann, ist es dadurch möglich, wie vorstehend im Einzelnen beschrieben ist, zu unterdrücken, dass sich die Partikelstoffe in den Außenbereich der Abgasreinigungsvorrichtung verteilen. Die vorliegende Erfindung stellt die Abgasreinigungsvorrichtung mit einer hohen Reinigungsfunktion mit einer hohen Effizienz und einem niedrigen Druckverlust zur Verfügung.
Während die spezifischen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben wurden, ist für den Fachmann erkennbar, dass verschiedenartige Abwandlungen und Alternativen zusätzlich zu denjenigen Details im Lichte der gesamten Lehre der Offenbarung entwickelt werden können. Demgemäß sollen die bestimmten Anordnungen, die offenbart sind, lediglich darstellen und nicht für den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung beschränkend sein, die durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente angegeben ist.
Somit hat die Abgasreinigungsvorrichtung 1 ein zylindrisches Gehäuse H und eine Steuereinheit 5. Eine Koronaentladungselektrode 2 und eine gegenüberliegende Elektrode 3 sind in dem zylindrischen Gehäuse H angeordnet. Das zylindrische Gehäuse H ist in dem Weg eines Abgasdurchgangs 42 angeordnet, durch den ein Abgas strömt, das von einer Dieselkraftmaschine 41 abgegeben wird. Die Steuereinheit 5 weist eine DC-Energiequelle an, eine DC-Hochspannung zu der Koronaentladungselektrode 2 zuzuführen, die zum Erzeugen einer Koronaentladung in einem Koronaentladungsbereich zwischen der Koronaentladungselektrode 2 und der gegenüberliegenden Elektrode 3 ausreichend ist, so dass eine Energie, die durch die Koronaentladung erzeugt wird, nicht geringer als eine Aktivierungsenergie ist, die ausreichend zum Oxidieren von Partikelstoffen PM ist, die in dem Abgas enthalten sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-76497 [0003, 0006]
- JP 2006-37899 [0004, 0007]

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung (1, 1-1, 1-2) zum Reinigen eines Abgases, das von einer Brennkraftmaschine (41) abgegeben wird, durch eine Oxidationsreaktion, mit: einem zylindrischen Gehäuse (H), das an einem Abgasdurchgang (11) angeordnet ist, der mit einer Brennkraftmaschine (41) verbunden ist, das einen Abschnitt des Abgasdurchgangs (11) ausbildet, wobei durch den Abgasdurchgang ein Abgas strömt, das von der Brennkraftmaschine (41) abgegeben wird; und einer Koronaentladungselektrode (2) und einer gegenüberliegenden Elektrode (3), die zueinander weisen, wobei die Koronaentladungselektrode (2) einen Koronaentladungsabschnitt (22) aufweist, der eine Koronaentladung in einem Koronaentladungsbereich in dem zylindrischen Gehäuse (H) erzeugt, wenn eine Hochspannung zwischen der Koronaentladungselektrode (2) und der gegenüberliegenden Elektrode (3) zugeführt wird, wobei die Hochspannung, die zu der Koronaentladungselektrode (2) zuzuführen ist, eine Energie von nicht weniger als einer Aktivierungsenergie entspricht, die ausreichend zum Oxidieren von Partikelstoffen ist, die in dem Abgas enthalten sind.
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Koronaentladungsabschnitt (22) in der Koronaentladungselektrode (2) im Wesentlichen an einem mittleren Abschnitt des zylindrischen Gehäuses (H) angeordnet ist, und wobei der Koronaentladungsabschnitt (22) der Koronaentladungselektrode (2) Elektronen in das Abgas emittiert, das in dem zylindrischen Gehäuse (H) strömt, wenn die Hochspannung zwischen der Koronaentladungselektrode (2) und der gegenüberliegenden Elektrode (3) zugeführt wird, und wobei die emittierten Elektronen mit den Partikelstoffen kollidieren, die in dem Abgas enthalten sind, und die Aktivierungsenergie als Oxidationsenergie für die Partikelstoffe bereitstellen.
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer Steuereinheit (5), die die Größe der Hochspannung, die zu dem Koronaentladungsabschnitt (22) der Koronaentladungselektrode (2) zuzuführen ist, steuert, und wobei die Steuereinheit (5) die Größe der Hochspannung gemäß einer Menge der Partikelstoffe bestimmt, die in dem Abgas enthalten sind, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird.
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einem Sammelabschnitt (50), der an dem Koronaentladungsbereich oder an einer stromabwärtigen Seite des Koronaentladungsabschnitts (22) in dem zylindrischen Gehäuse (H) angeordnet ist, wobei zusätzlich zu der Oxidation der Partikelstoffe ein Teil der Partikelstoffe aufgeladen wird und die aufgeladenen Partikelstoffe unter Verwendung eines Teils der Energie entsprechend der Hochspannung, die zu der Koronaentladungselektrode (2) zugeführt wird, aneinander gehaftet werden, und wobei der Sammelabschnitt (50) die aufgeladenen und aneinander gehafteten Partikelstoffe sammelt und einfängt.
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einem zylindrischen leitfähigen Abschnitt (31) mit einer hohlen und maschenartigen Gestalt, der entlang einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Gehäuses (H) angeordnet ist, wobei ein hohler Raum in dem zylindrischen leitfähigen Abschnitt (31) als Sammelabschnitt dient und die Partikelstoffe in dem hohlen Raum des zylindrischen leitfähigen Abschnitts (31) gesammelt und in diesem eingefangen werden.
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit (5) die Menge der Partikelstoffe, die in dem Abgas enthalten sind, auf der Grundlage eines vorbestimmten Kennfelds bestimmt, das auf der Grundlage einer Beziehung zwischen einer Menge der Partikelstoffe, die erzeugt werden, wenn die Brennkraftmaschine (41) arbeitet, und einer Last sowie einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (41) erhalten wird, und wobei das vorbestimmte Kennfeld im Voraus in einer Speichereinheit in der Steuereinheit (5) gespeichert wird.