JP2005517112A - 排気ガス浄化デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼機関（１）からの排気ガスを浄化するためのデバイスに関し、本デバイスは、排気コンジット（７）において燃焼機関（１）と排気出口（８）との間に配置される排気ガスから粒子状成分を取り除くための第１のフィルタ（１０）と、前記第１のフィルタ（１０）を通過した排気ガスの一部を分流してこの排気ガスの一部を燃焼機関の空気取入れ口（２）へと再循環させるための再循環コンジット（１１）とを備える。本デバイスはさらに、再循環コンジットの入口端（２０）と燃焼機関の空気取入れ口（２）との間に配置される第２のフィルタ（３０）を備える。本発明はまた、燃焼機関からの排気ガスを浄化するための方法に関する。さらに本発明は、特にディーゼル・エンジンでの本排気ガス浄化デバイスの使用に関する。

Description

本発明は、燃焼機関からの排気ガスを浄化するためのデバイスと方法に関し、燃焼機関からの排気ガスは、排気コンジットにおいて燃焼機関と排気出口との間に配置される、排気ガスから粒子状成分を取り除くためのフィルタを通過され、前記フィルタを通過された排気ガスの一部は再循環コンジットを介して分流され、燃焼機関の空気取入れ口へと再循環される。さらに本発明は、特にディーゼル・エンジンでの本排気ガス浄化デバイスの使用に関する。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）が有害な排気ガス、特に窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の比率を下げるための効果的な浄化方法であることは周知である。あるＥＧＲシステムでは、エンジンからの排気ガスの一部がその空気取入れ口へと再循環される。

特にディーゼル・エンジンの場合、大量の粒子状成分が生成されるという問題点がある。粒子状成分という表現は、例えば煤、及び燃料及びオイルから発せられる有機残留物（ＳＯＦと称される）のような粒子を含む。様々なタイプのフィルタを使用して、排気ガスからこのような粒子状成分を取り除くことは周知である。ＥＧＲシステムに含まれる再循環コンジットを介して燃焼機関の空気取入れ口へ再循環される燃焼機関からの排気ガスの一部の粒子状成分によって燃焼機関が損傷されることを防止するためには、排気ガスのこの一部を燃焼機関へ再循環される前に粒子フィルタに通すことが適切である。例えばこれは、例えばＤＥ ４００７５１６ Ｃ２が示すように、再循環コンジットの入口端を排気コンジット内に配置されるフィルタの下流に配置して行うことが可能である。その他、ＵＳ ５５９２９２５ Ａが示すように、フィルタを再循環コンジット内に直接配置する代案もある。これらの周知のソリューションの欠点は、フィルタが破損すると濾過されない、または濾過が不十分な排気ガスが再循環コンジットを介して燃焼機関の空気取入れ口へ再循環されることになり、これが結果的に高コストのエンジン故障に繋がる可能性があることにある。濾過されない、または濾過が不十分な排気ガスが燃焼機関の空気取入れ口へ再循環されることを防止する一つの方法は、この排気ガスの流れにおける粒子量を検出する何らかのセンサを排気ガスの流れにおけるフィルタの下流に配置することである。再循環される排気ガス内の粒子量が所定の限界値を超えることがセンサによって示されると、排気ガスの再循環は中断され、濾過されない、または濾過が不十分な排気ガスは燃焼機関の空気取入れ口へ再循環されない。このソリューションは複雑な電子機器の設置を必要とし、よってその実施は比較的複雑かつ高価である。さらにこのソリューションは、電子コンポーネント内の障害に敏感に反応する。

本発明の目的は、濾過されない、または濾過が不十分な排気ガスがＥＧＲシステムを装備する燃焼機関の空気取入れ口へ再循環されないことの高信頼的かつ単純な保証を達成すべく先行技術を展開することにある。

本発明によれば、前記目的は、請求項１に記載されたデバイス及び請求項１０に記載された方法によって達成される。

本発明的ソリューションは、燃焼機関からの排気ガスは排気コンジットにおいてモータと排気出口との間に配置される排気ガスから粒子状成分を取り除くための第１のフィルタを通過し、前記第１のフィルタを通過した排気ガスの一部は再循環コンジットを介して分流されて燃焼機関の空気取入れ口へと再循環されることと、排気ガスの分流された一部は再循環コンジットの入口端と燃焼機関の空気取入れ口との間に配置される第２のフィルタを通過することを含意する。これにより、重複的な濾過システムが達成される。燃焼機関が正常な排気ガス量の下で正常に作動し、かつ両フィルタに損傷がなければ、排気コンジット内に配置される第１のフィルタは、排気ガスが第１のフィルタを通過した時点で燃焼機関を全く損傷させることなく燃焼機関の空気取入れ口へ再循環され得るほどに濾過されているという程度まで粒子状成分を捕獲する。例えばフィルタに対する打撃または衝撃の形による外部からの機械的効力を介する破壊に起因して第１のフィルタに機能障害があり、第１のフィルタを通過した排気ガスの濾過は再循環に関しては不十分であることが含意される場合、再循環される排気ガスは第２のフィルタによって濾過され、燃焼機関を損傷させる可能性のある粒子状成分を含む排気ガスが燃焼機関の空気取入れ口に到達することはない。第２のフィルタはまた、燃焼機関が機能障害に起因して、第１のフィルタでは完全に対応することが不可能な異常に多い排気ガス量を発する場合にも、再循環される排気ガスの十分な濾過に貢献する。本発明的ソリューションは極めて費用効果が高く、かつ極めて高い機能信頼性を有する。

本発明のある好適な実施形態によれば、第２のフィルタは第１のフィルタより低い、または事実上これと同一の濾過効率で設計され、よって正常な作動状態下で第１のフィルタを通過する間に捕獲されない排気ガス内の粒子状成分の少なくとも主要部分は第２のフィルタを通過する間にも捕らえられない。これにより、正常な状態下での第２のフィルタは、再循環される排気ガスの粒子状成分の捕獲には貢献せず、または少なくとも認識され得る程度には貢献せず、よって第２のフィルタは目詰まりしないことが保証される。従って第２のフィルタは、第１のフィルタが正常に機能しておらず、濾過されない、または濾過が不十分な排気ガスを通過させてしまう場合に再循環される排気ガスの粒子状成分含有を低減させることにのみ貢献する。

本発明のさらなる好適な実施形態によれば、第２のフィルタは再循環コンジットの出口端に配置される。これにより、再循環コンジットが故障した場合に、燃焼機関を損傷させる性質を有する粒子状成分を含む空気が燃焼機関へと吸い込まれることが防止される。排気ガスの再循環は通常、吸込効果によって作動し、燃焼機関の空気取入れ口へ再循環される排気ガスは、排気コンジットから吸込効果によって再循環コンジットへと運び込まれる。再循環コンジットが故障した場合は、周囲空気が再循環コンジットへ吸い込まれる。この周囲空気は、空気と一緒に砂利または燃焼機関を損傷させる他の粒子を運び込む可能性がある。再循環コンジットの出口端という第２のフィルタのロケーションにより、再循環コンジットを介して周囲空気と共に吸い込まれるこのような粒子が燃焼機関の空気取入れ口に到達することはない。

本発明的デバイス及び発明的方法のさらなる好適な実施形態は、独立請求項及び後続の明細書本文から明白となるであろう。

本発明はまた、請求項１１に記載された発明的デバイスの使用に関する。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施形態例によりさらに詳しく説明する。

図１は、本発明によるデバイスが装備された燃焼機関を略示している。燃焼機関は、１で略示されている。空気は、空気取入れ口２を介して燃焼機関に取り込まれ、空気取入れ口２の隣にはエアフィルタ３を装備することができる。空気は、概して４で示される吸気チャネルを介して燃焼機関の燃焼室へと方向づけられる。本発明が吸込みのみによって作動する燃焼機関、即ち燃焼機関の燃焼室への空気の運搬が燃焼機関内のピストンに起因する吸引によって発生される燃焼機関に適用可能であることは、本明細書において既に指摘している。しかしながら本発明はまた、概してコンプレッサによって達成されることが可能な燃焼機関へのスーパーチャージ式給気、即ち強制給気にも適用可能である。このようなコンプレッサは、例えば燃焼機関または適切な補助装置を介して機械的に、または図１が示すように燃焼機関からの排気ガスの流れによる等の任意の方法で駆動されることが可能である。従って本例におけるデバイスは、空気を過圧状態にして燃焼機関に供給するための圧縮機ホイール５ａと燃焼機関を出る排気ガスで起動されて回転するように配置されるタービン・ホイール５ｂとを備える過給機５を備えている。圧縮機ホイール５ａとタービン・ホイール５ｂは、例えば同一の軸上に配置されることにより、互いに機能的に結合される。スーパーチャージ式においては一般的であるように、空気は、過圧状態にされた後に給気冷却器６（中間冷却器）内で冷却されることが可能である。燃焼機関を出る排気ガスは排気コンジット７内を移動し、排気ガス出口８を介して周囲環境へ入る。図１は、排気ガスが、排気ガス出口８を介して周辺環境へ入る前に触媒９及びフィルタ１０を通るように方向づけられる様を示している。以下の説明では第１のフィルタとして示す前記フィルタ１０は、排気ガスから粒子状成分を除去するように適合化されている。

第１のフィルタ１０は、排気ガスが第１のフィルタ１０を通過した後は燃焼機関の空気取入れ口２へ再循環されかつ燃焼機関を全く損傷させることなく燃焼機関１へと導入され得るほどに濾過されているという程度まで粒子状成分を捕獲する能力がある、といった濾過効率を有する。

後にさらに詳述するが、本発明的デバイスは、概して２０で示される、排気ガスを燃焼機関から燃焼機関の空気取入れ口２へと再循環させるための装置を備える。この目的に沿って、本デバイスは、本例では吸気チャネル４に接続する１１で示された再循環コンジットを備える。再循環コンジットの入口１２は、排気コンジット内に配置された第１のフィルタ１０の下流に配置される。必要であれば、再循環コンジット１１は、再循環される排気ガスを冷却するために冷却器１３を通過することが可能である。再循環コンジット１１は、ＥＧＲ制御デバイス１５によって制御可能なバルブ・デバイス１４を介して吸気チャネル４に接続されることが可能である。バルブ・デバイス１４は、ＥＧＲ制御デバイス１５の助力により、吸気チャネル４から供給される外気の量と再循環コンジット１１から再循環されて供給される排気ガスの量との関係を調整する。バルブ１４によって調節されたこの混合気は、こうして燃焼機関の空気取入れ口２へ供給されることが可能である。

バルブ・デバイス１４を制御するＥＧＲ制御デバイス１５には、例えば燃焼機関の作動の現状に関する情報が酸素測定プローブ（ラムダ・プローブ）１６、燃焼機関速度用のセンサ１７及びスロットル位置用のセンサ１８から供給されることが可能である。ＥＧＲ制御デバイス１５はバルブ・デバイス１４を制御するようにプログラムされ、かつこれにより、排気ガス出口８を出て自由大気へと放出される危険物質の含量を最小限に抑えるための外気／排気ガスの混合関係を制御するようにプログラムされる。ＥＧＲ制御デバイス１５のプログラミングは、上述の様々な要因間に好ましい関係を達成する本質的に周知の方法で実行される。

前記第１のフィルタ１０に加えて、本発明的デバイスは第２のフィルタ３０も備える。この第２のフィルタ３０は再循環コンジットの入口端１２と燃焼機関の空気取入れ口２との間に、適切には再循環コンジット１１内に、またはこれに直に隣接して配置される。第２のフィルタ３０は、好適には図１に示すように再循環コンジットの出口端に配置される。

第２のフィルタ３０は、第２のフィルタ３０を通過する排気ガスが燃焼機関の空気取入れ口２へとさらに方向づけられかつ燃焼機関を全く損傷させることなく燃焼機関１へと導入され得る程度まで粒子状成分を捕獲する能力がある、といった濾過効率を有する。第２のフィルタ３０は、適切には、燃焼機関用に意図された従来型のエアフィルタと事実上同一の濾過効率、即ち図示した本例ではエアフィルタ３と同じ濾過効率を有する。

第２のフィルタ３０は、好適には第１のフィルタ１０より低い、または事実上これと同一の濾過効率で設計され、よって正常な作動状態下で第１のフィルタ１０を通過する間に捕獲されない排気ガス内の粒子状成分の少なくとも主要部分は第２のフィルタ３０を通過する間にも捕獲されない。従って、第２のフィルタは、燃焼機関からの排気ガスが正常な量である作動状態下では、かつ第１のフィルタが無傷であれば、まず第１のフィルタ１０を通過した後に第２のフィルタ３０を通過している排気ガスの粒子状成分を捕獲しないように、または極めて少量しか捕獲しないように設計される。このような正常な状態下では、第２のフィルタは結果的に、粒子の濾過に関しては消極的な、または事実上消極的なコンポーネントとして機能する。第２のフィルタ３０は、第２のフィルタ３０を通過するガス内の粒子状成分の含量が通常より多い場合に積極的な濾過コンポーネントとして機能し、このような場合に燃焼機関を損傷させる性質を有する粒子状成分から燃焼機関を保護するように意図されるものでしかない。第１のフィルタ１０と第２のフィルタ３０の濾過効率における上述の相関性を達成するために、第２のフィルタ３０は、第１のフィルタ１０の公称濾過等級より低い、または事実上これと同一の公称濾過等級を有することが可能である。代わりに、またはこれに組み合わせて、第２のフィルタ３０は、第１のフィルタ１０の絶対濾過等級より低い、または事実上これと同一の絶対濾過等級を有することが可能である。

本明細書における「公称濾過等級」という言い回しは、フィルタの濾過効率を特定するためにフィルタ・メーカーによってフィルタに帰属されるミクロン値を指す。第２のフィルタ３０は、例えば１０ミクロンで９９％の除去効率として表される公称濾過等級を有することが可能であるが、これは、フィルタに１０マイクロメートルより大きい通過中の粒子の９９％を濾過して除く能力のあることを含意する。この例によれば、第１のフィルタ１０は結果的に１０ミクロンで９９％という除去効率に一致する、またはこれより高い除去効率を有することになる。

フィルタの「絶対濾過等級」は、特定の試験条件下でそのフィルタを通過することができる球状硬質粒子の最大直径を示す値を指す。同じくこの値も、フィルタの濾過効率を特定するためにフィルタ・メーカーによってフィルタに帰属されることが可能である。第２のフィルタ３０は、例えば１０ミクロンとして表される絶対濾過等級を有することが可能であるが、これは、フィルタが１０マイクロメートルより大きい通過中の全粒子を濾過して除く能力のあることを含意する。この例によれば、第１のフィルタ１０は結果的に１０ミクロンに一致する、またはこれより高い絶対濾過等級を有することになる。

第１のフィルタ１０及び第２のフィルタ３０は、耐高温性でありかつ優れた濾過能力を有するフィルタ材料を備える。一例として、セラミック材料、鉱物繊維及び金属繊維を使用可能である点を挙げることができる。

第１のフィルタ１０は、適切には再生フィルタとして、即ち交換なしに復元されることが可能なフィルタとして設計される。このような再生は、例えば、フィルタをフィルタ上に沈積された粒子状成分の燃焼が発生するために必要な程度まで加熱することにより周知方法で達成されることが可能である。問題のフィルタ１０の再生を達成するための別の可能技術は、特許文書ＵＳ ４ ９０２ ４８７ Ａに記述されている。この技術によれば、フィルタの上流で触媒が使用され、この触媒は、通常排気ガス内に存在するＮＯの一部をＮＯ_２に変換する能力を有し、ＮＯ_２は次にフィルタ上に沈積された粒子状成分と反応する。これにより、フィルタの自動再生が引き起こされる。正常な状態下で第２のフィルタ３０は通過する排気ガスからの粒子状成分の除去に貢献しない、または少なくとも認識される程度には貢献しないことから、このフィルタ３０が再生フィルタとして設計される必要はない。但し、それが適当であるとされる場合には、当然ながら第２のフィルタ３０も再生フィルタとして設計することが可能である。

第１のフィルタの上流に配置された触媒９を有する図１に示す本発明の実施形態の代替として、第１のフィルタ１０は、排気ガス内の成分を環境に与える危険度のより少ない物質に変換する能力を有する触媒材料を備えることも可能である。この場合の触媒材料は、結果的にはフィルタ１０内に、好適にはフィルタに含まれるフィルタ材料上の被覆物の形式で一体化される。当然ながら、本発明的デバイスは、触媒機能を全く保有せずに設計されることも可能である。

本発明は、ディーゼル・エンジンの場合に特に効果的であり、かつスーパーチャージ式のディーゼル・エンジンの場合に特別に効果的である。但し、本発明は他のタイプの燃焼機関にも使用可能である点を強調しておく。さらに本発明は、燃焼機関がスーパーチャージ式であるなしに関わらず、即ち燃焼機関への給気が強制式であるか燃焼機関内のピストンの動作に起因する吸引によって発生するかに関わらず効力を発揮する。問題の燃焼機関がスーパーチャージ式であることになれば、排気ガスの再循環コンジットは、図１に示すように、スーパーチャージ式ユニットの吸引側で吸気チャネルに接続されなければならない。

本発明的デバイスは、既にその製造に関連している燃焼機関に適用されることが可能であるが、本デバイスを既に使用されている燃焼機関へ後に適用してＥＧＲ機能を追加する、または向上させることも可能である点を強調しておく。

当然ながら、本発明は如何なる場合も上述の好適な実施形態に限定されず、反対に当業者には、添付の請求の範囲において定義された本発明の基本的考案を逸脱することなくその変更の多くの可能性が明白となるはずである。

本発明的デバイスの一実施形態を描いた、ＥＧＲシステムに関連する燃焼機関の原理を示す図である。

Claims (11)

1. 燃焼機関（１）からの排気ガスを浄化するためのデバイスであって、排気コンジット（７）において燃焼機関（１）と排気出口（８）との間に配置される排気ガスから粒子状成分を取り除くための第１のフィルタ（１０）と、前記第１のフィルタ（１０）を通過した排気ガスの一部を分流してこの排気ガスの一部を燃焼機関の空気取入れ口（２）へと再循環させるための再循環コンジット（１１）とを備え、デバイスは再循環コンジットの入口端（１２）と燃焼機関の空気取入れ口（２）との間に配置される第２のフィルタ（３０）を備えることを特徴とするデバイス。
2. 第２のフィルタ（３０）は第１のフィルタ（１０）より低い、または事実上これと同一の濾過効率で設計されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
3. 第２のフィルタ（３０）は、第１のフィルタ（１０）の公称濾過等級より低い、または事実上これと同一の公称濾過等級を有することを特徴とする請求項２記載のデバイス。
4. 第２のフィルタ（３０）は、第１のフィルタ（１０）の絶対濾過等級より低い、または事実上これと同一の絶対濾過等級を有することを特徴とする請求項２または３記載のデバイス。
5. 第２のフィルタ（３０）は、燃焼機関を損傷させる性質を有する粒子状成分を捕獲することができるような濾過効率を有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のデバイス。
6. 第２のフィルタ（３０）は、燃焼機関用に意図された従来型のエアフィルタと事実上同一の濾過効率を有することを特徴とする請求項５記載のデバイス。
7. 第２のフィルタ（３０）は再循環コンジットの出口端に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のデバイス。
8. 第１のフィルタ（１０）は、排気ガス内の成分を環境に与える危険度のより少ない物質に変換するための触媒材料を備えることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のデバイス。
9. デバイスは排気コンジット（７）内に配置される触媒（９）を備えることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のデバイス。
10. 燃焼機関（１）からの排気ガスを浄化するための方法であって、燃焼機関からの排気ガスは、排気コンジット（７）において燃焼機関（１）と排気出口（８）との間に配置される排気ガスから粒子状成分を取り除くための第１のフィルタ（１０）を通過され、前記第１のフィルタ（１０）を通過した排気ガスの一部は、再循環コンジット（１１）を介して分流されかつ燃焼機関の空気取入れ口（２）へと再循環され、排気ガスの分流された一部は再循環コンジットの入口端（２０）と燃焼機関の空気取入れ口との間に配置される第２のフィルタ（３０）を通過されることを特徴とする方法。
11. ディーゼル・エンジンからの排気ガスを浄化するための請求項１から９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。

Images