JP2004514820A - ディーゼルエンジンの炭素含有粒子排出物の低減方法 - Google Patents

Abstract

ディーゼルエンジンの炭素含有粒子排出物を低減すべく、エンジンの排ガスをフィルタ（２１２）に通し、この排ガス中に含まれる粒子をフィルタ表面に堆積させ、該フィルタ（２１２）の再生のため、堆積した粒子を酸化するディーゼルエンジンの粒子排出物を効果的に無害化する方法及びその装置を提供する。本発明では、粒子が堆積したフィルタ表面を非熱表面漏洩放電により再生する。本方法を実施すべく、セラミックスフィルタ上に堆積した粒子の酸化手段として、非熱表面漏洩放電を用いる。更に、窒素酸化物を還元する選択触媒還元ＳＣＲと組合せて本方法を実施する。本方法を実施する装置は、高電圧で動作する表面漏洩放電を起す手段に信頼度と環境適合性を保証する。

Description

【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスをフィルタを通流して排ガス中に含まれる粒子をフィルタ表面に堆積させ、該フィルタを再生するため、分離した粒子を酸化するようにした、ディーゼルエンジンの炭素を含む粒子排出物の低減方法に関する。更に本発明はこの方法を実施するための、セラミックス製煤用フィルタと該フィルタで分離した粒子の酸化手段を有する装置に関する。
【０００２】
最近の知識によれば、肺に入る煤は健康に有害であるばかりか発癌性の疑いがある。しかし燃料節約のために重要な直接噴射型の乗用車のディーゼルエンジンは、正に肺に入る粒子を排出する。
【０００３】
従来提案されているこの問題の解決法は、再生可能な粒子フィルタを使用することである。しかし排ガス温度が低い場合、燃料中に、例えばセリウム、Ｎａ−Ｓｒ混合物やＦｅ−Ｓｒ混合物のような、煤を酸化する触媒の作用を持つ添加物が再生のために必要になる（仏国特許出願公開第２７７１４４号明細書）。この種触媒は、例えばまずそれ自体が酸化され、次いで酸素を煤に移す役目をする。
【０００４】
しかし実際の使用にあたっては、酸化物は煤によりごく一部が低減されるに過ぎず、従って長期にわたる作動中にフィルタに触媒の灰が堆積するという問題が生じる。硫黄を含む燃料の場合、触媒により硫酸塩の生成が促進されるという付加的問題が生じる。更に都市交通では、再生用の触媒添加物が存在するにも拘わらず、排ガス温度が十分でないという問題が起こる。
【０００５】
これに対して純粋に熱的な再生は、そのために排ガス温度を著しく高めて短期的にエンジンを動作水準にもたらし、或いはフィルタを加熱するための電気的措置を講じねばならないため問題外である。欧州特許出願公開第０６３５６２５号明細書は、そのためにセラミックスフィルタのマイクロ波加熱を、また欧州特許第０７３１８７５号明細書は、煤の分解のための、電気的に加熱される酸化触媒を開示している。それらの純粋に熱的な措置は、いずれも平均的燃料消費量が著しく高い。更に、これらの措置により惹起される煤の燃焼の際に、局所的に煤フィルタが焼尽して破損を生じるおそれがある。
【０００６】
上記２つの措置を組合せることによりある程度の改善が可能である。しかし、フィルタが触媒の灰で塞がるという問題は解決されない。更に、都市交通における短距離運転のような極端な場合には、依然として排ガス温度が低すぎ、そのためフィルタを再生することはできない。
【０００７】
煤の排出に関するこれらの問題を解決するため、過去において何度もプラズマ処理が提案或いは研究されてきた。以下にこれを分類して説明する。
（ａ）粒子をコロナ放電処理により荷電し、静電分離し、基板上でのプラズマ処理により、場合によっては燃料又は基板に触媒を添加して酸化する（欧州特許第０３３２６０９号、国際特許出願公表第９１／０３６３１号、米国特許第４９７９３６４号、欧州特許出願公開第０６２７２６３号、独国特許出願公開第２１４６２２８号明細書）。
（ｂ）粒子をコロナ放電処理により凝集させ、サイクロンにより分離し、粒子を例えば熱的に除去する（独国特許出願公開第３４２４１９６号及び欧州特許出願公開第０８２４３７６号明細書）。
（ｃ）粒子をフィルタとしての粒状物質から成る誘電性の固床、繊維結合物（フェルト）又は多孔性材料（セラミックスフォーム等）中で分離する。この多孔性構造中で、表面を連続的に再生すべく非熱プラズマを生じさせる（国際公開第９９／３８６０３号パンフレット）。
（ｄ）煤フィルタのプラズマ誘導による再生を、非熱プラズマ中でＮＯをＮＯ_２に酸化し、これを低温で煤の酸化下に再びＮＯに還元することで達成する。排ガス温度が十分な場合、プラズマに代えて酸化触媒も使用できる（独国特許出願公開第１９８２６８３１号及び欧州特許第３４１８３２号明細書）。
（ｅ）粒子を、慣性力によりＤＢＥ反応炉（ＤＢＥ＝ｄｉｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈ ｂｅｈｉｎｄｅｒｔｅ Ｅｎｔｌａｄｕｎｇｅｎ、誘電体バリア放電）の電極上に堆積させ、そこで非熱プラズマ作用により酸化する（独国特許出願公開第１０００７１３０号明細書）。
（ｆ）フィルタの役目をする多孔性セラミックスの貫流時に粒子を捕捉し、ＤＢＥプラズマの作用により酸化する（独国特許出願公開第１９７１７８９０号明細書）。このＤＢＥプラズマは、本明細書ではバリア層を備えた対向電極と、セラミックスフィルタに結合されたガス透過性電極又は電極として導電率の十分なセラミックスフィルタとの間に形成される。
【０００８】
これら方法（ａ）〜（ｆ）に対し、以下のことを付言しておく。
（ａ）粒子の静電分離は、２つのプラズマ反応炉、即ち粒子の質量に比例した荷電用のための第１の反応炉と、静電分離並びに触媒又はプラズマによる酸化のための第２の反応炉を必要とする。自動車に適したコンパクトな構造では、この機能を確実に保証できない。排ガス流路内の酸化が保証されない個所では、粒子の分離を制御できないおそれがある。従って大量の粒子が急激に制御できない状態で遊離を起しかねない（再飛散現象）。
（ｂ）静電的な凝集による場合も、粒子を後に制御できる状態で分離することを保証できない。従って静電分離の場合と同様の問題が起こる。
（ｃ）連続的にプラズマにより再生した多孔性構造での煤の分離は良好な作用を示す。しかしこの際自動車に使用される多孔性構造（粒状物、繊維材料）の機械的強度又はその動圧に関して問題（例えばセラミックスの泡）が生じる。
（ｄ）予め形成したプラズマによる連続的な煤フィルタの再生は、基本的に有効であるが、排ガス中に十分なＮＯの存在を必要とし、エネルギ的に不利である（Ｂ．Ｍ．Ｐｅｎｅｔｒａｎｔｅ他著、「ＮＯ_Ｘ及び粒子の同時制御に対するプラズマ後処理の実現可能性」ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ、Ｎｏ．１９９９−０１、３６３７）。
（ｅ）排ガス用電極構造の透過性のため動圧が低くなり、排ガス浄化要素の固体堆積物による閉塞は予想されない。しかし慣性力が質量の低下と共に減少するため、軽い粒子は殆どが気体の流動に従い、従って分離が不十分になる。
（ｆ）誘電体バリア放電の場合、電力の大部分が利用できる。残りの電力は、誘電体層等の電気絶縁表面上の大気圧で形成される放電電弧の所謂脚点で変換できる。従って導電性の多孔性セラミックスフィルタの場合、このような脚点は、気体不透過性の対向電極の誘電体上にのみ形成される。周知のように、大気中の酸素から生ずる原子状酸素０及び水から生ずる排ガス中の水酸基ＯＨのような化学的に活性なラジカルは、２００μ秒以下の極めて短い寿命を有する。そのため、この空間内に形成されるラジカルがセラミックスフィルタ上に分離された煤を酸化する確率はごく僅かである。これは、プラズマ再生の効率を減らす。更に提案された電極の形状は、個々のフィルタチャネルの流動断面積を著しく狭くする。プラズマで再生されたフィルタの動圧を低く保持するため、これら電極構造を使用しないフィルタに対してはその体積を拡大する必要がある。
【０００９】
従って本発明の課題は、ディーゼルエンジンの粒子排出物を従来よりも効果的に無害化する方法及びその装置を提供することにある。
【００１０】
この課題は本発明によれば、請求項１に記載の方法により解決される。その実施態様は、従属請求項の対象である。本発明方法を実施する装置は、請求項１５の対象である。この装置の実施態様は、その従属請求項に記載してある。
【００１１】
本願明細書中でも請求項においても、「非熱表面漏洩放電」（ｎｏｎ−ｔｈｅｒｍａｌ， ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒｅｅｐｉｎｇ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）という用語を用いる。仮に明瞭に表現していなくても、「表面漏洩放電」及び「漏洩放電」もこのことを意味する。これを他の形の電気的気体放電と区別するため、ここで更に詳しく定義付けすると、「非熱表面漏洩放電」とは、
−気体の加熱を十分に回避しながら
−「非熱プラズマ」を発生させるために
−一般に電気絶縁性の（或いはごく導電性の弱い）表面と接触して生じる気体放電である。
【００１２】
この「非熱プラズマ」は、そのプラズマ状態を熱力学的に温度により表すことができず、電子の平均エネルギが重い粒子（イオン、原子、分子）のエネルギよりも著しく大きい点で、「熱プラズマ」と著しい対照をなす。大気圧中で、非熱プラズマは、エネルギの入力が極めて短時間に制限される、例えば気体放電で発生できる。その結果電子は分子を電離して電子的に励起し、気体温度を著しく高めることなく分解（解離）する。表面漏洩放電は、大気圧中でしばしば火花として生じるが、その生起時間と出力密度は、既に実質的な気体加熱を生じさせるのに十分である。この形式の表面漏洩放電をここでは明確に除外する。
【００１３】
本発明は、セラミックス製煤フィルタによる煤の分離を、非熱表面漏洩放電によるフィルタの再生と組合せる方法を提案する。従来技術のセラミックス煤フィルタは、周知の如く高い分離効率を微細粒子にも保証する。表面漏洩放電で、電気エネルギを酸化ラジカルの生成のために、分離した煤の直近に入れる。その結果、ラジカルと煤との高い反応確率が生じ、従って高いエネルギ効率も生じる。
【００１４】
本発明方法に必要な電極構造は、（ａ）両電極ともフィルタ壁面内に埋込む、（ｂ）表面電極としてフィルタ壁面の対向側面上に取り付ける、（ｃ）埋込み電極と表面電極とを交互に形成することで得られる。これはフィルタ素子がコンパクトな構造の場合に、低い流動抵抗を可能にする。
【００１５】
本発明で、フィルタ壁面は低導電率の細孔セラミックス材料から成る。そのためフィルタ壁面は、直接電流が流れるのを阻止する誘電体バリアとして働く。従って時間的に可変の高電圧作動を、交流電圧か、時間的に反復するパルス電圧の何れかで行うことができる。表面漏洩放電中に転換される平均電力は、分散電気エネルギＥ_ｄｉｓとパルス反復率又は周波数ｆのパルス毎又は周期毎の積（Ｅ_ｄｉｓ×ｆ）から求められる。このエネルギＥ_ｄｉｓは、電圧振幅Ｕ０の上昇と共に上昇する。このパルス電圧は、電圧パルスの期間が パルス反復周波数により与えられる周期に比べ小さいことを特徴とする。そのためエネルギを、非熱表面漏洩放電の発生中に目標通りに入力し、電気エネルギの過度の分散を、セラミックスフィルタの残留導電率とフィルタの導電性の煤薄膜により回避できる。
【００１６】
この電極構造は、フィルタ製造時に銅又はニッケル等の延性材料から成るワイヤを埋込むことで形成できる。多孔性セラミックスフィルタを介しての高エネルギの火花閃絡を回避するため、これら電極ワイヤをガラス、エナメル又は密に焼結したセラミックスから成るバリア層で被覆してもよい。電極構造を形成する別法は、導電率を高める添加剤でセラミックスフィルタを局部的にドーピングするものである。個々の電極の接地及び高電圧電源との接続は、フィルタの対向する各端部で行う。該接続は、例えば電極の格子状の接続体によっても、フィルタセルの入口と出口側の開口を開放する孔明き薄板状の接触板によっても行える。
【００１７】
このフィルタのプラズマによる再生は、連続的に行うことができる。必要な平均的プラズマ電力は、フィルタ温度の上昇と共に低下し、煤の排出量の上昇と共に上昇する関数により表される。煤の排出の代わりに排ガスの背圧をプラズマの平均出力を調整するための入力値として使用してもよい。この方法の利点は、排ガスの背圧を連続的に低く保持できることである。それにより内燃機関の場合、上昇する排ガスの背圧により生じ得る燃料の過剰消費を十分に回避できる。他方こうすることで、プラズマ作動のためのエネルギ消費が増大することになる。即ち炭化水素及び煤のエネルギ含有分は、実際にその再生に使用されない。
【００１８】
そのため、周期的なプラズマによる再生が別の選択肢として存在する。その作用及び再生に使用するプラズマ出力の基準として、排ガスの背圧とフィルタ温度が利用される。
【００１９】
プラズマによる再生のための平均的エネルギ消費を制限するため、セラミックスフィルタのドーピング用に、煤及び炭化水素の酸化を促進する触媒材料を用意する。この場合白金のような貴金属、鉄のような金属及びカルシウムのようなアルカリ土類金属が考慮の対象となる。またここでも２つの異なる再生方法を使用できる。連続的プラズマ再生の場合、触媒を使用しない場合の煤の酸化に比べて、温度に依存して著しく電力を低減できる。周期的再生の場合には、フィルタ温度が比較的長時間、触媒による再生に必要な値を下廻った状態にとどまると、プラズマによる再生が必要になる。
【００２０】
更に、煤用フィルタのプラズマによる再生は、窒素酸化物の選択触媒還元をアンモニア含有還元剤で促進する措置と組合せることもできる。そのため電極構造は、表面漏洩放電の代わりにフィルタの出口側に誘電体バリア放電が生じるように形成される。誘電体バリア放電はＮＯを一部ＮＯ_２に変換し、ＮＯの選択触媒還元を２００℃以下の低温で誘起する。
【００２１】
更にフィルタ材料の触媒用ドーピング物質の選択により、プラズマにより誘起される窒素酸化物の接触還元が、煤フィルタ中でも炭化水素含有還元剤により可能になる。プラズマ動作の調整方法は、両方法の場合、付加的にＮＯ_Ｘ還元の必要性に適合させるべきである。
【００２２】
本発明の詳細及び利点を、請求項に関連する実施例の以下に記載する図面の説明から明らかにする。同一もしくは同様に作動する部材には同一の、即ち相応する符号を付けてある。図面については、一部共通に記載してある。
【００２３】
以下に記載する考察は、後述する粒子の排出を低減する方法の基礎となるものである。
−酸化による効率のよい分解を保証するには、煤を表面に集めねばならない。こ
のことは、従来技術から公知の煤フィルタにより極めて確実に保証される。
−表面の直近に形成される酸化ラジカルだけで、低温でも効率の良い酸化を触媒
添加なしで達成できる。これを、電子の衝突により、例えば非熱プラズマ中の
酸素により良好な効率で誘起できる。
Ｏ_２＋ ｅ　→　Ｏ ＋ Ｏ ＋ ｅ　　（１）
これらの酸素ラジカルは炭素表面Ｃ（ｓ）と反応し、その表面に結合された一
酸化炭素を形成する。
Ｏ ＋ Ｃ（ｓ）　→ ＣＯ（ｓ）　　　　（２）
この一酸化炭素は遊離することができる。
ＣＯ（ｓ）　→ ＣＯ　　　　　　　 （２ａ）、
しかし又酸素ラジカルと反応して二酸化炭素となる。
ＣＯ（ｓ） ＋ Ｏ　→ ＣＯ_２　　　　 （３）
これらラジカルが表面に対して大きな間隔で形成されると、ラジカルが（例え
ば炭化水素のような）排ガスの成分ＲＸと反応する。
ＲＸ ＋ Ｏ　→　 ＲＯ ＋ Ｘ　　　（４）
ラジカルはその後表面に到達するので、煤の分解に全く寄与しないか、又は単
に間接的に排ガス組成に著しく関係する煤の分解に寄与するに過ぎない。
−必要な特性を持つ非熱気体放電を発生させる最も効率のよい方法は、表面漏洩
放電である。その際セラミックスフィルタ内に組込まれた堅牢な電極構造は、
分割電極又はばら積床装置に比べ重要な利点を持つ。即ち、それらは機械的安
定性を有し、流動工学上有利であり、従ってコンパクトに形成可能である。
【００２４】
図１ａは、従来技術に相応する煤フィルタ１０の縦断面を、また図１ｂはその横断面を示す。フィルタ１０は開孔セラミックス材料から成る壁面１を有するセル１１から成り、セルは一端でセラミックスのカバー２により各々交互に閉鎖されている。この排ガスＥ（Ｅｘｈａｕｓｔ）はセルの側壁を通流する。その際煤はその表面に堆積する。
【００２５】
図２は、時間的に変動する高電圧を発生する電圧源４に接続され、セラミックスフィルタ１内に埋込まれた２つの電極３を有する構造２０に基づく、上記の方法を図示する。時間的に変動する高電圧とは、交流電圧又は時間的に反復するパルス電圧である。煤を含む排ガスＥはセラミックスフィルタ壁面１を通流する。その際煤はセラミックスフィルタ１の表面に堆積する。煤を濾過された排ガスＥ′はセラミックスフィルタから反対側に出ていく。セラミックスフィルタの両側面に表面漏洩放電ＳＤが形成される。
【００２６】
図３は、セラミックスフィルタ中に埋込まれた電極３とフィルタ上に載っている電極５を有する構造３０を示す。この場合セラミックスフィルタの一方の側面上のみに表面漏洩放電ＳＤが形成される。それにより煤が堆積する部分への電気エネルギの入力を制限できる。
【００２７】
図４は、セラミックスフィルタ１の対向する側面上に載っている２つの電極５を有する構造４０を示す。図２の配置のように、この場合セラミックスフィルタ１の両側面上に漏洩放電が形成されることになる。
【００２８】
図５ａは、電極３を埋込まれたプラズマにより再生されるフィルタ５０の縦断面、図５ｂはその横断面を示す。同じ極性の電極３は、配線６により互いに接続されている。図１と図５を比べると、この両方の場合に交互にその端部を閉鎖されたハニカム構造を示している。
【００２９】
フィルタの材料としては、それ自体公知のように、コーディエライト、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び所謂ＮＺＢ（ＮａＺｒ_２Ｐ_３Ｏ_１２）が考慮の対象となり、その際各々導電率を調整する添加物を適切な電気的特性を得るべく使用する。
【００３０】
図６は、室温空気中での表面漏洩放電によるＣＯ及びＣＯ_２の生成に基づき、表面に堆積した煤の酸化を実験適に検出した図である。縦座標に漏洩放電の排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度をｐｐｍ、また横座標に時間を分単位でとってある。ここに曲線６１はＣＯ、曲線６２はＣＯ_２含有量を時間の関数として示す。両曲線から、時点０での漏洩放電の開始直後の急激な上昇後、更に緩慢に上昇し、最大値を通り、その後再び降下することが判る。この緩慢な上昇は、煤表面に吸着するＣＯ（ｓ）の飽和値迄の濃度の上昇、即ち最大値と降下は、堆積した煤の酸化による連続的な減少に基づくものである。
【００３１】
図７は、誘電体で被覆され、埋込まれた電極７及び対向電極８を有するプラズマ再生フィルタ７０の横断面を示す。誘電体被膜９は、電極７と対向電極８とに直接電流が流れるのを阻止する。また、この誘電体被膜を電極７又は対向電極８のいずれかに施すことをやめてもよい。
【００３２】
図８は、フィルタ内に組込んだ電極８１も、対向電極８２も導電率を高めたセラミックスから成る電極構造を持つプラズマ再生フィルタ８０の断面図を示す。
【００３３】
図９は、列を側方にずらすことでセルの一部で表面漏洩放電ＳＤが、またセルの他の部分で空間放電ＶＤを生じる、プラズマ再生フィルタ９０の部分縦断面を示す。この場合、例として誘電体で被覆していない電極３を使用した。この装置は、セラミックスフィルタの一方の側面上で煤を酸化し、もう一方の側面上でＮＯをＮＯ_２に酸化するのに適する。
【００３４】
図１０は、図３に示す原理に基づく、誘電体で被覆され、かつ埋込まれた電極７と、その上に載っている金属電極５を有するプラズマ再生フィルタの部分縦断面を示す。図１１は、図４に示した原理に基づく、フィルタ上に載っている金属電極５を有するプラズマ再生フィルタの部分縦断面を示す。この両図面から、表面漏洩放電が、ハニカム体の蜂の巣内で生じることは明らかである。
【００３５】
図１２は、局部的に導電率を高めたセラミックスフィルタにより形成され、埋込まれた電極８１と、むき出しの電極８２を交互に配したプラズマ再生フィルタの部分断面図である。その際埋込まれている電極にはセラミックスの導電性の範囲が、この電極が完全に絶縁されたセラミックスにより囲まれるように小さく選択されており、一方対向電極には、その表面に導電率の十分に高い範囲が存在するように大きく選択されている。
【００３６】
図１３は、ディーゼルエンジンの排ガスに対し非熱ガス放電を適用する装置２００を示す。未処理の排ガスＥ用入口２０１と、処理済み排ガスＥ′用出口２０２を持つ装置２００内に、前述のフィルタ装置を設けている。適切な振幅と周波数の高電圧を発生するパルス電圧源（ＰＶＳ＝Ｐｕｌｓｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ）２１０が設けられる。該電圧源２１０は、同軸ケーブル２１１を経てプラズマフィルタユニット２１２と接続されている。該ユニットは電気的及び熱的絶縁性の緩衝作用のあるマット２１３を経て金属フィルタスリーブ２１４内にはめ込まれている。その際高電圧を導く同軸ケーブル２１１の内部導電体は、高電圧ブッシング２１５を経てプラズマフィルタユニット２１２の一方の電極２１６と接続され、プラズマフィルタユニットの対向電極と外側導体の対向電極２１７は共通の電気接地点の役目をするフィルタスリーブ２１４と接続されている。
【００３７】
制御装置２２０は、制御ケーブル２２１を経てＰＶＳ２１０を制御する役目を果たす。制御装置２２０の入力値として、特に圧力と温度を利用する。そのためこの装置には、ディーゼルエンジンの粒子フィルタの手前にＰ_ｉｎ用及びＴ_ｉｎ用の２つのセンサ２２２と２２３並びにディーゼルエンジンの粒子フィルタ２００の後方に、Ｐ_ｏｕｔ及びＴ_ｏｕｔ用の２つのセンサ２２４、２２５が存在する。更に制御装置２２０は、エンジン制御装置２２７からデータ配線２２６を経て送られてくる、エンジンに関する特性曲線を記憶及び評価するための装置を有する。
【００３８】
電気的作動確実性及び電磁場適合性の詳細及びそれらを解決するための個々の方法を以下に補足する。
−フィルタの入口面並びにフィルタのその他の入口側の表面が、作動時絶縁耐力
を低減する煤で覆われるので、金属製の反応炉スリーブ２１４を通る高電圧ブ
ッシング２１５及びプラズマフィルタユニット２１６の高電圧端子を、特にフ
ィルタの出口側に設ける。
−反応炉スリーブ２１４の、電気接地接続と導電率に関しての実施形態は、プラ
ズマフィルタユニット内のパルス電流から生じる障害に対し電磁遮蔽を施すよ
うに配慮する。そのため導電率の高い材料を選び、全接地接続部２１７を低誘
導性に、かつ表皮効果を回避すべく大きな表面に形成する。導電率の典型値は
５〜６５Ｓｍ／ｍｍ^２である。電磁的適合性を保証すべく、金属容器は導電率
が低く化学的に不活性な内側層と、高導電率の外側層から形成する。接地接続
部２１７と高電圧端子のインダクタンスは１０ｎ〜１０μＨである。
−最後に、プラズマフィルタユニットの回復不能の破壊を回避すべく、適切な絶
縁抵抗を持つ電極を用いる。該電極はフィルタ材料により、気体放電の局部的
破壊時に電極に沿う電圧降下を増大させて電流、従って材料中で転換される電
力を、全電流又は全出力の是認できる端数に制限する。この端数を、欠陥発生
時のチャネル毎の電流又は出力が、標準電流又は標準出力の１０倍を越えない
よう低く選択するとよい。特に有利な方法では、端部での電気的破壊を排除す
るため、高電圧電極も、接地された対向電極もこの比抵抗を有する。
【００３９】
純粋な保護機能の他に、図１３中に記載の装置の場合、電流ピークを回避することで、特に不所望なＥＭＶ問題を予防できる。更に個々の煤フィルタのチャネルの抵抗を介した接続は、電極抵抗の出力を制限する作用が、煤フィルタのチャネル内自体における局所的電力の流入のみならず、全てのチャネル内への電力の流入をも制限するので、フィルタ断面にわたる出力の入力の均等化が図れる。
【００４０】
電気絶縁マット２１３の比抵抗として、電極の長さ１ｃｍあたり１００Ω〜１００ｋΩの値、特に１〜１０ｋΩの値が用いられる。
【００４１】
図１４では、図１３に示すプラズマフィルタ装置２００に選択触媒還元ＳＣＲ（＝ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）用の反応炉２５０を組合せている。プラズマフィルタ装置２００の出口とＳＣＲ反応炉２５０の入口との間に噴霧ノズル２４０を、ポンプ２４１により貯蔵タンク２４２から吐出管２４３を経て供給される還元剤ＲＡ（＝Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ａｇｅｎｔ）の噴霧のため設けている。ポンプと弁の制御は、センサと特性曲線データの基板上の制御ユニット２４４にて行う。
【００４２】
表面漏洩放電中に加える平均電力の調整は、以下の方法で進める。即ち、まず閾値Δｐ_１以下のフィルタ圧力降下の最小出力Ｐ_ｍｉｎから出発する。閾値Δｐ_１を越えると、該出力を時間的な圧力増加ｄｐ ／ｄｔに比例して高め、圧力と温度に依存する最大値Ｐ_ｍａｘ（Ｐ_ｉｎ／Ｔ_ｇａｓ）にする。その値で圧力降下が閾値Δｐ_１に戻る迄、出力を保持する。周期的再生のため、表面漏洩放電中に加える平均の電力を、以下の方法で調整する。即ち、フィルタの圧力降下が閾値Δｐ_１以下である限り、 電力の入力は行わない。Δｐ_１を越えたら、電力を時間的な圧力降下ｄｐ／ｄｔに比例して、圧力と温度に依存する最大値Ｐ_ｍａｘ（Ｐ_ｉｎ／Ｔ_ｇａｓ）迄高める。そこでこの電力を、閾値Δｐ_１に圧力が降下する迄保持する。
【００４３】
窒素酸化物を還元する処理と関連して、この制御方法は、ＮＯからＮＯ_２へのプラズマ誘導による酸化方法と組合せることができる。プラズマで支援される選択還元触媒法は、低温の場合ＮＯ_２の還元を、特に還元剤としての炭化水素で進め又はアンモニアやアンモニアを含む還元剤の場合、ＮＯ_２を低温でＮＯに還元 することを可能にする。ＮＯのＮＯ_２へのプラズマ誘導による変換率Ｒ_ｏｘは、平均プラズマ出力に比例する。従ってその制御は、煤粒子の再生が必要でないなら最小プラズマ出力Ｐ_ｍｉｎが必要なＮＯ変換率Ｒ_ｏｘに比例するように調整する。この再生の場合、その最大値は再生及びＮＯの変換に必要な電力に調整する。
【００４４】
出力は、適切な電圧振幅Ｕ_ｏ及び周波数又はパルス反復率ｆの選択により調整する。即ち気体放電の開始のため、最小電圧、即ち点弧電圧が必要であることが知られている。ここで使用するタイプの非熱気体放電の場合、点弧電圧の上に電流振幅、従ってまたパルス毎又は周期毎に分散するエネルギが著しく上昇する。気体放電中の高い電力密度の結果としての熱的作用を回避するため、適切な電圧振幅に調整することで電流を制限するとよい。気体放電の開始電圧は、圧力及び温度により著しく変化し、一方電界強度Ｅと粒子数密度Ｎで規定される低い点弧電界強度の商Ｅ／Ｎは、これにごく弱く依存する。従って圧力と温度の関数として電圧振幅Ｕ_ｏを調整するとよい。 更に、この電圧振幅がその電極の間隔に伴いほぼ直線的に上昇するのが判る。従って実際に使用するフィルタには、約３ｋＶの最小点弧電圧が生じる。それに対し、安全の理由から２０ｋＶの電圧を越えてはならない。最小で１００Ｈｚ、最高で２００ｋＨｚのパルス反復率、即ち周波数がこの用途に好適である。
【００４５】
図１５は、Ｐ_ｉｎ／Ｔ_ｍａｘの商によりパルス電圧Ｕ０（ｋＶ）に適合する振幅を調整すべく、標準圧力ｐ０（１０１３ｈＰａ）及び標準温度Ｔ_ｏ（２７３．１５Ｋ）を基準とする特性曲線を示す。このグラフにほぼ直線的な経過の特性曲線１５０が生じ、その結果調整を簡素化できる利点がある。この特性曲線１５０は直接、制御装置２２０のメモリ内に格納されている。
【００４６】
パルス電圧による励起と同様のことが交流電圧での電気的励起にも言え、電圧の振幅は最大及び最低電圧（ピーク−ピーク）の差と考えられる。
【００４７】
当業者には、異なる電極型を有する各種構造の組合せも可能であることは明白である。同様にこれらの構造を、酸化を促進する触媒材料と組合せることも可能なことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａは従来技術による煤粒子用フィルタの縦断面、ｂは横断面。
【図２】本発明によるセラミックスフィルタ構造の断面図。
【図３】埋込み電極と表面配置電極を有するフィルタ構造の一部断面図。
【図４】セラミックスフィルタの対向する側面上に電極を配置したフィル
タ構造の断面図。
【図５】ａは図１の縦断面図、ｂは横断面図。
【図６】表面漏洩放電の作用効果を明らかにするグラフ。
【図７】表面漏洩放電の発生に適した電極を有するフィルタ構造の断面図。
【図８】プラズマにより再生されるフィルタ構造の断面図。
【図９】プラズマ再生フィルタの部分断面図。
【図１０】図３に示す原理に基づくプラズマ再生フィルタの部分断面図。
【図１１】図４に示す原理に基づくプラズマ再生フィルタの部分断面図。
【図１２】プラズマ再生フィルタの他の実施例を示す部分断面図。
【図１３】粒子用フィルタの系統図。
【図１４】選択触媒還元（ＳＣＲ）を行う反応炉と組合せた図１３の粒子
フィルタの系統図。
【図１５】漏洩放電のため電圧を排ガスのパラメータの関数として選択す
るグラフ。
【符号の説明】
１　セラミックスフィルタ、２　セラミックスカバー、３　セラミックスに埋込まれた電極、４　電圧源、５　セラミックスの上にある電極、６　配線、７　埋込み電極、９　誘電体被膜、８　表面にある対向電極、１０　煤用フィルタ、１１　セル、Ｅ　排ガス、Ｅ′　濾過済み排ガス、２０、３０、４０、５０、７０　フィルタ構造、８１　埋込み電極、８２　対向電極、２００　非熱気体放電を行う装置（粒子フィルタ）、２０１　排ガス用入口、 ２０２　処理済み排ガス用出口、２１１　同軸ケーブル、２１２　プラズマフィルタユニット、２１０　パルス電圧源、２１３　絶縁マット、２１４　金属製フィルタ容槽、２１５　高電圧ブッシング、２１６　プラズマフィルタユニットの一方電極、２１７　プラズマフィルタユニットの外側導体の対向電極、２２０　制御装置　（２２１）、２２２〜２２５　センサ、２２６　エンジン制御装置のデータ配線、２２７　エンジン制御装置、２４０　噴霧ノズル、２４１　ポンプ、２４２　貯蔵タンク、２４３　吐出管、２４４　制御ユニット、２５０　ＳＣＲ反応炉、ＳＤ　表面沿電放電、ＶＤ　容量放電

Claims (39)

1. ディーゼルエンジンから排出される排ガスをフィルタ中を通流させて排ガス中に含まれる粒子をフィルタ表面に付着させ、フィルタの再生のため、付着した粒子を酸化するようにした、ディーゼルエンジンの炭素含有粒子排出物の低減方法において、粒子で覆われた表面の再生を非熱表面漏洩放電により行うことを特徴とする方法。
2. 表面漏洩放電を、低導電率の誘電性フィルタ材料中に埋込んだ各２つの電極間に発生させることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 表面漏洩放電を、低導電率の誘電性フィルタ材料中に埋込んだ電極と、流入する排ガスに面しているフィルタ表面上に取り付けた対向電極との間に発生させることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. フィルタ材料を誘電体バリアとして施し、表面漏洩放電を、流入する排ガスに面しているフィルタ表面上に取り付けた電極と、流出側のフィルタ表面上に取り付けた対向電極との間に発生させることを特徴とする請求項２又は３記載の方法。
5. 表面漏洩放電の電気的励起を、３〜２０ｋＶの振幅（ピーク−ピーク値）で、かつ１００Ｈｚ〜２００ｋＨｚの周波数／パルス反復率の交流電圧又は周期的パルス電圧で行い、電力の調整を振幅と周波数の適合により行うことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 振幅を、フィルタ入口圧力Ｐ_ｉｎと気体温度Ｔ_ｇａｓの商Ｐ_ｉｎ／ Ｔ_ｇａｓの関数として調整することを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 周波数をフィルタ付着物Ｍ_ｉｎとフィルタ温度Ｔ_{ｆｉｌｔｅｒ}の関数として選択することを特徴とする請求項３記載の方法。
8. フィルタ付着物Ｍ_{ｐａｒｔｉｃｌｅ}をフィルタの圧力降下Δｐから求めることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 再生を連続的に行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 表面漏洩放電中に転換される平均電力を以下に記載する方法により調整することを特徴とする請求項９記載の方法。
    −閾値Δｐ１以下のフィルタの圧力低下の最低電力Ｐ_ｍｉｎから出発し、
    −閾値Δｐ_１を越えると、その電力を時間的圧力増加ｄｐ／ｄｔに比例して 、圧力及び温度に依存する最大値Ｐ_ｍａｘ（Ｐ_ｉｎ／Ｔ_ｇａｓ）迄高め、
    −電力を圧力降下が閾値Δｐ_１に達する迄保持する。
11. 再生を周期的に行うことを特徴とする請求項１又は８記載の方法。
12. 表面漏洩放電中に転換される平均電力を以下に記載する方法により調整することを特徴とする請求項１１記載の方法。
    −閾値Δｐ_１以下のフィルタの圧力低下のための電力値０から出発し、
    −閾値Δｐ_１を越えると、その電力を時間的圧力増加ｄｐ／ｄｔに比例して 圧力及び温度に依存する最大値Ｐ_ｍａｘ（Ｐ_ｉｎ／Ｔ_ｇａｓ）迄高め、
    −電力を圧力降下が閾値Δｐ_１に達する迄保持する。
13. 粒子フィルタの出口側の非熱気体放電により粒子の排出を減少させた後、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に変換し、その後窒素酸化物の選択触媒還元を行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 選択触媒還元に必要な還元剤を、粒子フィルタの後方及び還元触媒の手前に供給することを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 粒子の酸化手段が、フィルタのセラミックスの表面上に表面漏洩放電を生じさせる手段を備えることを特徴とするセラミック製の煤フィルタ及びこのセラミックスフィルタに堆積した粒子の酸化手段を有する請求項１乃至１２の１つに記載の方法を実施する装置。
16. 表面漏洩放電を生じさせるため、少なくとも一部がフィルタ内に組込まれた電極と対向電極から成る電極構造を備えることを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. セラミックス製のフィルタ、該フィルタ上に堆積した粒子の酸化手段、ガス状有害物質の酸化手段、還元剤を排ガス流中に供給する手段及び窒素酸化物を選択触媒還元する手段を備え、粒子の酸化手段が、フィルタのセラミックス表面に沿った表面漏洩放電、またガス状有害物質の酸化手段がフィルタの出口側の空間内に誘電体バリア放電を生じさせることを特徴とする請求項１２又は１３記載の方法を実施するための装置。
18. 表面漏洩放電及び誘電体バリア放電を生じさせるため、少なくとも一部がフィルタ内に組込まれた電極及び対向電極から成る電極構造を備えることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. 電極構造のうち、電極の少なくとも一方がフィルタのセラミックス中に埋込まれたことを特徴とする請求項１６又は１８記載の装置。
20. 電極がセラミックス中に埋込まれており、対向電極がセラミックス上に載っていることを特徴とする請求項１６又は１８記載の装置。
21. フィルタが、各々交互に端部を閉鎖され、かつ長方形の断面を有するハニカム構造にまとめられたセルから成り、該セルがフィルタの排ガスの取入れ口又はフィルタの出口に向かって開いていることを特徴とする請求項１５又は１７記載の装置。
22. セルがハニカム構造内に行状に配置され、隣接する各行がセル幅の半分だけ互いにずらされたことを特徴とする請求項２１記載の装置。
23. フィルタが、電気的特性、特に導電率を調整し、かつ触媒作用により煤を酸化するための添加物を含む、コーディエライト、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又はＮＺＰ（ＮａＺｒ_２Ｐ_３０_１２）製の多孔性セラミックスから成ることを特徴とする請求項１５又は１７記載の装置。
24. 電極が、誘電体被膜を持つ金属電極を有することを特徴とする請求項１６又は１８記載の装置。
25. 電極が、導電率の高いフィルタ材料により形成されたことを特徴とする請求項１６又は１８記載の装置。
26. 表面漏洩放電を生じさせるため調整可能な電圧振幅及びパルス反復率を有するパルス電圧源、フィルタ前後の温度と圧力を測定するセンサ及び温度と圧力測定値の測定信号用入力部を有し、不揮発メモリ内に温度と圧力の関数としての電圧振幅とパルス反復率を調整するための調整特性曲線を格納した制御装置を備えることを特徴とする請求項１５記載の装置。
27. 表面漏洩放電と誘電体バリア放電を生じさせるため調整可能な電圧振幅とパルス反復率を持つパルス電圧源、フィルタ前後の温度と圧力を測定するセンサ、排ガス中のＮＯ濃度を測定する手段、温度と圧力の測定値及びＮＯ濃度の情報の測定信号用入力部を有する制御装置と不揮発メモリ内に、温度、圧力及びＮＯ濃度の関数としての電圧振幅とパルス反復率を調整するための調整特性曲線を格納した制御装置を備えることを特徴とする請求項１７記載の装置。
28. 高電圧で作動し、表面漏洩放電を生じる手段の運転信頼度と電磁的な適合とを達することを特徴とする請求項１５又は１７記載の装置。
29. ５〜６５Ｓｍ／ｍｍ^２の高い導電率の材料からなる容槽（２００、２１４）が、プラズマフィルタ素子用反応炉スリーブとして設けられたことを特徴とする請求項２８記載の装置。
30. プラズマフィルタ素子（２１２）が、厚さ１ｍｍ〜１ｃｍの熱的及び電気的絶縁材料（２１３）により反応炉スリーブと絶縁されたことを特徴とする請求項２９記載の装置。
31. 高絶縁耐圧ブッシング（２１５）を介して高電圧が、プラズマフィルタ素子（２１２）の出口側の反応炉スリーブを通して導かれ、プラズマフィルタ素子（２１２）の出口側の接触面を経て高圧電極に供給されることを特徴とする請求項２８記載の装置。
32. プラズマフィルタ要素（２１２）の接地の役目をする対向電極（２１７）が、その入口側の端面に沿って接触し、かつ外側の接地としての反応炉スリーブ（２１４）と接触することを特徴とする請求項３１記載の装置。
33. 反応炉（２００）に、外側から２５０℃迄の温度に耐える絶縁材料を用いた同軸ケーブル（２１１）を経て高電圧を供給し、その内側導体が高電圧ブッシング（２１５）と、外側導体が反応炉スリーブ（２１４）と接触することを特徴とする請求項３１記載の装置。
34. 絶縁材料として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、窒化ホウ素（ＢＮ） 、コーディエライト等をベースとし、密に焼結されたセラミックスを０．５〜１０ｍｍの壁厚で使用し、前記材料を、反応炉スリーブの内・外側に少なくとも５〜５０ｍｍ、金属壁面上に突出させたことを特徴とする請求項３０記載の装置。
35. 電極又は対向電極が、フィルタ材料（２１２）の絶縁破壊時に、各チャネルの電流を制限する固有電気抵抗を有することを特徴とする請求項３３又は３４記載の装置。
36. 電流を通常電流の１０倍に制限することを特徴とする請求項３５記載の装置。
37. 電極と対向電極が同じ固有電気抵抗を有することを特徴とする請求項３５記載の装置。
38. 電気抵抗が、電極の長さ１ｃｍ当り１００Ω〜１００ｋΩであることを特徴とする請求項３５記載の装置。
39. 電気抵抗が、電極の長さ１ｃｍ当り１〜１０ｋΩであることを特徴とする請求項３８記載の装置。

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