JP2004526091A - 燃焼機関からの排気ガスの後処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、製造及び取扱にコストがかからず、排気ガス流のフロー条件に対する悪影響の少ない排気ガスの後処理装置及び方法を提供する。
【解決手段】ビーズで満たされている少なくとも一つの領域が、排気ガスの流れの中に設けられる。そのビーズは、中空ビーズであることが好ましい。燃焼機関からの排気ガスは、この領域を通り、塊になり、同時に排気ガスから分離される。更に、金属繊維で満たされている領域が、ビーズで満たされている少なくとも１つの領域の後に配置されてもよい。そして、排気ガスは、これらの領域を更に通過する。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼機関からの排気ガスの後処理装置及び方法に関する。特に本発明は、内燃機関からの排気ガスの後処理装置、及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒反応の後処理、及び／又は排気ガスの流れの中に含まれる粒子のろ過のいずれか、又はその組み合わせにより、様々な形態の中で行うことができる。
【０００３】
燃焼機関からの排気ガスの後処理に対して、様々な可能性が知られている。触媒コンバータ又は粒子フィルタのような付加的な部材は、排気管内に設けられる。そして、汚染成分を無害の成分に変換し、粒子、特にディーゼル機関内の燃焼の際に生成される微粒子を捕獲するために、処理されるべき排気ガスは、そのような部材の中を通される、又はそばを通される。
これまで、排気ガスの触媒反応の後処理については、触媒コンバータとして公知の物が排気管内に統合されることが通常であり、使用される該コンバータは、プラチナ、ラジウム、及びパラジウムのような触媒活性材料によってドープされるか又は占有される、比較的大きな表面積を実質的に有する構造物であり、該表面積は、公知の被覆によって更に増大する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、触媒作用は、所定の最低温度が必要であり、内燃機関の起動段階において、所望の温度上昇は、排気ガスの排気によってのみ引き起こされるので、従来のシステムにおいては、所定の運転領域の条件下において該温度に到達し得る。特定の温度を上回る場合、活性化した表面領域は、溶ける又は剥がれ落ちることがあるので、従来必要とされており、活性表面領域を増加させている被覆によって、過熱を避ける必要がある。従って、この種の触媒コンバータは、内燃機関からの排気ガスの排出口の直後に配置することはできない。
【０００５】
内燃機関からの排気ガス中の粒子、特に微粒子をろ過するために、金属及びセラミック材の両方を用いた非常に広範囲のフィルタシステムが使用されることが公知である。従来のフィルタ内に微粒子が沈着することにより、フィルタが目詰まりし、動圧が増大しないように、これまでは、おおよそ一定の間隔で、再生として知られている段階を実行する必要がある。この種の再生は、通常、フィルタの中で析出した微粒子を燃焼させる。そして、それには燃料の供給が必要であり、電気的な加熱を用いても、燃えやすい炭化水素を供給して燃焼させても、効率の低下は避けられない。
【０００６】
排気ガスのフロー条件は、フィルタ材料の負荷状態に応じて、特に従来の粒子フィルタに影響される。その結果として、動作中の多くの期間において、排気ガスの背圧の効果によって、最適な燃焼条件を保つことはできない。
【０００７】
更に、従来のシステムは、製造及びその取扱にかかる費用が高い。
【０００８】
従って、本発明の目的は、構成が簡単であり、コストも低く、排気ガス流のフロー条件への悪影響が少ない排気ガスの後処理のための装置及びその方法を提供することである。
【０００９】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる燃焼機関からの排気ガスの後処理装置及び方法を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、請求項１に基づく装置、及び請求項１７の手段を有する方法によって、本発明は達成される。本発明の有利な実施例及び改良点は、その従属項に列挙した機能を用いて達成することができる。
【００１１】
燃焼機関からの排気ガスの後処理のための本発明に基づく装置は、排気ガス流内に設けられ、ビーズで満たされた、少なくとも１つの部分を有する。そして、その排気ガスは、ビーズ間の隙間を通って流れ、比較的一様な流路によって、最適なフロー条件を保つことができる。これらのフロー条件は、特に、粒子の塊に対して有利な効果を有しており、その塊は、形成された後、フィルタ部材の下流において、より効率的に排気ガスから分離される。また、フィルタの部材、又はこの種のほかの部材は、排気ガスの圧力の急上昇から保護される。
【００１２】
排気ガスの断面内のフロー条件及び圧力比は、排気ガスの流れの内の好ましくない動圧条件によって燃焼に悪影響を与えないように、この種のビーズフィルタ領域に対して比較的容易に計算され、用いられる特定の燃焼機関に応じて、最適化され得る。
【００１３】
中空のビーズを用いることにより、質量の大幅な削減、及び騒音の抑制という特に有利な効果を達成することができる。
【００１４】
更に、排気ガスの後処理をより効果的に行うために、ビーズ表面だけでなく、ビーズの外殻どうしの特定の空隙率は、比較的容易に設定される。その結果、その表面領域は、大きさが増加し、流体力学的表面特性が改善され得る。
【００１５】
ビーズ又は中空ビーズで満たされた領域は、例えば、排気ガスの流れる方向から見て、網の目の幅が最小のビーズの直径よりも、当然小さい金属性の網によって所定の位置に保持されるので、排気ガス部の中に配置され得る。この場合、基本的には、排気ガス部の中の、所望のどのような位置にも配置することができるが、いずれの場合も、この種の領域は、用いられる粒子フィルタの、排気ガスの流れの方向における上流側に配置される。
【００１６】
しかし、ビーズで満たされた領域は、燃焼機関の近傍に近接して、その排出ガスの出口、例えば排気多岐管の中に、直接設けられるのが好ましい。この場合、そのような複数の領域を、この種の排気多岐管の中の、個々の排気部の中に配置することができる。
【００１７】
ビーズは、適切に熱的な安定性のある素材で構成されるべきである。その素材は、優れた熱伝導性を有する点から、金属が好ましい。
【００１８】
使用されるビーズは、対応する領域内をできるだけ一杯に満たす、緩んだ床として存在してもよい。しかし、熱処理によって、隣接したビーズとスポット焼結させた集合体を作ることもできる。
【００１９】
１つの共通の領域内に、外径の異なるビーズを用いることもできる。しかし、ビーズで満たされた個々の領域内に、事実上ほぼ同一の外径のビーズを存在させ、該複数の領域を、直列に配置するのがより適切であることがわかっている。この場合、これらのビーズの外径は、排気ガスの流れ方向へ段階的に増加、又は減少してもよい。
【００２０】
しかし、行われ得る焼結とは別に、付加的に安定性及び強度を増加させるための対策を講じる必要がないように、全ての環境下において、ビーズは、自立した構造を形成する。
【００２１】
ビーズで満たされた領域は、排気ガスが出たり入ったりすることができる開口部以外は、筐体に囲まれてもよい。この場合、強度及び温度安定性が非常に広範囲に異なる素材を用いることができる。例として、金属の筐体が用いられる場合、金属製のビーズと連携して、優れた熱伝導性を活用でき、十分な放熱性が得られる。
【００２２】
用いられるビーズ及び中空ビーズは、排気ガスの触媒反応の後処理が可能となるように、少なくともその表面にそれ自体が公知の触媒活性素材をコート、又はドープさせてもよい。
【００２３】
燃焼機関からの排気ガスの出口の近傍に近接して、ビーズで満たされた領域を配置することの上記した実現性は、従来のシステムの場合に比べて、触媒作用に要求される温度に、急速に到達させることを意味する。更に、特に、金属性の中空ビーズを用いる場合に、比較的低い熱容量によって、その反応を改善することができる。
【００２４】
ビーズで満たされた領域の上流で、排気ガスの適切なフロー条件、及び比較的小さな圧力の増加を確実にするために、ビーズで満たされた領域が配置される筐体は、排気ガスの流れ方向において、その上流及び下流に配置された排気管部よりも大きな中空の断面を有するべきである。
【００２５】
ビーズの直径は、中空ビーズの壁の厚みを、０．０３から１ｍｍの間から選択できる、１から１０ｍｍの範囲から選択されてよい。ビーズ構造の空隙率は、７０から９０％の間であってよい。
【００２６】
排気ガス流の圧力条件における目標とされる影響に加えて、ビーズで満たされた領域の後に続く排気ガス流は、できるだけ層流であるのが好ましい。そして、層流であることは、特に粒子をろ過する下流部分に対して、好ましい影響を与え得る。
【００２７】
例えば、更に触媒作用の強い活性部材、又は上述した粒子フィルタを、排気ガスの流れ方向における下流側に配置することができる。
【００２８】
微粒子をろ過／分離するために、特にディーゼル機関からの排気ガスを通過させる、特に有利な粒子フィルタは、選択可能又は調整可能な、空隙率及び／又は間隙径分布を有する金属繊維を使用する。その間隙径分布は、１から５００μｍの範囲であってよい。
【００２９】
排気ガスがビーズで満たされた領域を通過する場合に形成された粒子の塊は、この種の金属繊維構造によって、効率良く保持され、実質的に粒子のない排気ガスが周囲へ排気され得る。
【００３０】
同様に、金属繊維で満たされたこの種の領域は、温度的に安定している。その結果、その領域も燃焼機関の近傍に配置させることができる。そして、この領域の中で、排気ガスは、自動再生を起こすのに十分な温度になる。その結果、微粒子を燃焼させるために追加の燃料を供給する必要はない。
【００３１】
この種の粒子フィルタ、即ち、それぞれが異なる空隙率及び／又は空隙径ができるだけ小さい間隙径分布を有し、排気ガスの流れ方向へ、連続して配置される複数の小領域に対して、段階的に変化する構造を選択するのが、特に非常に好ましい。これは、金属繊維を適切に選択すること、及び／又は適切な密度又は低い密度で詰め込まれた金属繊維を用いることにより可能である。
【００３２】
金属繊維及び上述した段階的に変化する粒子フィルタの小領域で満たされている領域は、同様に、金属製の網で囲われてもよい。そして、残りの部分は、密閉筐体、好ましくは金属製の筐体によって囲まれてもよい。ビーズで満たされている領域からの出口、及び金属繊維で満たされている領域への入口の断面領域は、同一の大きさ及び形状であるべきである。
【００３３】
金属繊維は、燒結された、自立した構造を形成することができる。
【００３４】
用いられる金属繊維構造の空隙率は、同様に、７０から９５％の範囲内で選択又は設定されてもよい。また、０．００５から０．２５ｍｍの範囲内の直径を有する金属繊維を使用することも可能である。
【００３５】
金属繊維とビーズあるいは中空ビーズは、いずれも、クロム−ニッケル鋼、ニッケル合金、鉄−クロム−アルミの合金、及びアルミナイドを用いて、有利に形成され得る。もちろん、この他の金属又は合金を用いることも可能である。
【００３６】
ビーズ又は中空ビーズと関連して既に述べたように、金属繊維は、触媒活性素材をコート又はドープされてもよい。その結果として、粒子の分離だけでなく、触媒反応の排気ガスの後処理が達成され得る。
【００３７】
また、金属繊維を有する領域は、比較的小さな質量を有し、自立した構造を形成する。実現性のある高い空隙率によって、高い空隙率に対応する高い分離率を達成することができる。
【００３８】
更に、騒音の発生が抑えられ、低い熱容量と共に、金属繊維の優れた熱伝導性により、触媒反応の後処理、及び自動清浄動作（再生）の両方を達成させる、反応が可能となる。
【００３９】
具体的に述べてきた素材は、十分に強く、安定性があり、高温に耐え得るだけでなく、腐食にも強い。従って、長い耐用年数が達成され得る。
【００４０】
これまでは必要であった、粒子フィルタを再生させるための中断を、もはや保つ必要はないので、これまでいくつかの公知の粒子フィルタシステムと共に用いられているような冗長な並列配置は、必要ない。
【００４１】
中空ビーズ及び金属繊維は、いずれも、元来、それぞれ高い空隙率を有する。その結果として、表面領域を増加させる追加的な被覆はもはや必要ない。そして、これと関連して既に述べた不利益が、除去され得る。
【００４２】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００４４】
図１に示される、内燃機関からの排気ガスの後処理のための、本発明に係る装置の例において、未処理で、浄化されていない排気ガスは、ガス流入接続部１を通過して、金属ハウジング２へ流入する。その過程で、金属ハウジング２の中空の断面は増加する。
【００４５】
クロム−ニッケル鋼で作られた中空金属ビーズで満たされている領域３は、金属ハウジング２の中にある。中空金属ビーズは、比較的大きいが、ビーズの直径の最小値よりは小さな網の目を有する金属製の網によって、金属ハウジング２の内部に保持される。そして、中空金属ビーズは、自立した構造として緩んだ床、又は燒結された形状であってもよい。
【００４６】
中空ビーズの表面が、適切な触媒作用素材でコートされる、又は適切な触媒反応の活性材料をドープされる場合、中空ビーズで満たされている領域３を通された排気ガスは、触媒反応の後処理を受け得る。
【００４７】
しかし、いずれにしても、排気ガスの流れは、存在する任意の粒子が塊にされるような影響を受ける。そして、形成された塊は、できるだけ汚染物質及び微粒子がない排気ガスを、ガス流出接続部６から排気できるように、排気ガス流から分離され、排気ガスの流れ方向において、それの後であり、金属繊維で満たされている領域５の中で保持される。
【００４８】
図１に示される本発明に係る装置の例において、できるだけ層状の排気ガス流が、金属繊維で満たされている領域５に流れ込むことができるキャビティ４は、中空ビーズで満たされている領域３と、金属繊維で満たされている領域５との間に形成される。
【００４９】
ここで示されている例において、金属繊維で満たされ、図２からより明確に見ることができるように、３段階の階層的な配置が選択されている領域５の階層構造が用いられる。
【００５０】
例えば、粒子を含んでもよい排気ガスは、中空ビーズで満たされている領域３から、荒いフィルタである小領域５'の中へ発生する。この小領域５'の中では、金属繊維の空隙率は、９０から９５％、間隙径は、１００から２００μｍであるように選択される。
【００５１】
そして、中央には、排気ガスを透過させる適切な形態で、第１の小領域５'から離間している第２の小領域５''がある。この小領域５''は、５０から１００μｍの間の間隙径で、８０から９０％の範囲の空隙率を有し、より小さな粒子をより精度よく分離する。
【００５２】
これに続いて、ガス流出接続部６の方向へ、同様に金属繊維で満たされており、空隙率は６０から７０％、間隙径は５０μｍ未満に設定されている、第３の小領域５'''がある。そのため、この場合、非常に精度の高いろ過が行われる。
【００５３】
もちろん、示された３段階の小領域５'、５''、及び５'''以上の段階を用いて、より精度の高い階層構造を選択することも可能である。
【００５４】
付加的な触媒反応の後処理を行うために、触媒作用のある素材をドープされた、又はコートされた金属繊維は、小領域５'、５''、及び５'''のいずれか１つ又は２つ、若しくは全てに用いられてもよい。
【００５５】
本発明に係る装置は、比較的多用な形態であっても良く、例として、中空ビーズで満たされている領域３は、排気ガスの流れ及び／又は分離を促進させる粒子の塊に影響を与えるためだけに用いられてもよく、触媒反応の後処理は随意機能であってもよい。
【００５６】
その状況は、金属繊維で満たされており、単に排気ガスの流れから粒子を分離するためだけ、又は随意的に触媒反応の後処理を与えるためだけに用いられ得る、領域５にとっても同様である。
【００５７】
また、中空ビーズ及び金属繊維に使用されていた同様の材料は、金属ハウジング２に対しても使用され得る。その結果として、大きな電気化学的な差異はなく、本明細書の全般で述べた特性は、存在している。
【００５８】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る装置の一例の構造を図示する。
【図２】金属繊維で満たされている複数の小領域に分けられる、粒子分離のための領域を示す。
【符号の説明】
【００６０】
１ ガス流入接続部
２ 金属ハウジング
３、５ 領域
４ キャビティ
５'、５''、５''' 小領域
６ ガス流出接続部

Claims (20)

1. 燃焼機関からの排気ガスの後処理装置であって、
   前記排気ガスの流れは、ビーズで満たされた領域（３）を通過することを特徴とする排気ガスの後処理装置。
2. 前記領域（３）は、中空ビーズで満たされていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスの後処理装置。
3. 前記ビーズは、金属製であることを特徴とする請求項1又は２に記載の排気ガスの後処理装置。
4. 前記中空ビーズは、多孔質であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
5. 前記ビーズの直径は、前記排気ガスの流れ方向へ減少することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
6. 前記ビーズは、互いにスポット燒結されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
7. 粒子フィルタとして、金属繊維で満たされた領域（５）は、前記排気ガスの流れ方向へビーズで満たされる前記領域（３）と隣接していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
8. 金属繊維で満たされた前記領域（５）は、前記排気ガスの流れ方向へ進むに従って、異なる空隙率及び／又は間隙径分布を有する層状の、少なくとも２つの小領域に分けられることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
9. 前記空隙率は、前記排気ガスの流れ方向へ減少することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
10. 空隙率の範囲は、７０から９５％の間に保たれることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
11. 前記ビーズ及び／又は金属繊維の前記表面は、触媒反応の活性材料をコート又はドープされることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
12. ビーズで満たされる前記領域（３）は、燃焼機関からの前記排気ガスの出口の近くに配置されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
13. ビーズで満たされる前記領域（３）は、燃焼機関の前記排気ガスの分流部の中に配置されることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
14. 中空ビーズで満たされている前記領域（３）と、金属繊維で満たされている前記領域（５）との間にキャビティ（４）を形成することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
15. 前記排気ガスが前記領域（３）、（４）、及び（５）を通過する前記中空の断面は、前記排気ガスの管の断面に比べて増加することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
16. 前記ビーズ及び金属繊維は、鉄−クロム−ニッケルの合金、ニッケル合金、鉄−クロム−アルミの合金、又はアルミナイド、若しくはそれらの組み合わせから形成されることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の排気ガスの後処理装置。
17. 燃焼機関からの排気ガスの後処理方法であって、排気ガスの流れ、粒子の塊及び／又は前記排気ガスの触媒反応の後処理に影響を与えるために、前記排気ガスが、ビーズで満たされた領域（３）を通されることを特徴とする排気ガスの後処理方法。
18. 前記排気ガスから粒子をろ過する、及び／又は触媒反応の排気ガスの後処理を行うために、ビーズで満たされる前記領域（３）に続いて、前記排気ガスを、金属繊維で満たされる領域（５）を通過させることを特徴とする請求項１７に記載の排気ガスの後処理方法。
19. 実行中、ビーズで満たされる前記領域（３）によって塊にさせられた粒子は、金属繊維で満たされている前記領域（４）内で、前記排気ガスの流れから分離されることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の排気ガスの後処理方法。
20. 金属繊維で満たされ、異なる空隙率の小領域（５'）、（５''）、及び（５'''）に分けられる領域（５）内の段階的な形状の中で、粒子がろ過されることを特徴とする請求項１７から１９のいずれかに記載の排気ガスの後処理方法。

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