JP2005518492A - 特に自動車の内燃機関で生成される排気ガスのようなガス流れをプラズマで処理するためのリアクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、誘電材料で作られ、本体内を幾つかの平行な通路（１０）により横切られている全体的に細長形状のリアクタ本体（８）を包含するリアクタに関する。電極（１４）は、ガス流れの処理を開始するために本体内に放電コロナを発生させるように設けられている。本発明によれば、電極（１４）の各々は、幾つかの通路（１０）の一部をなす１つの通路（１０）内に配設され、対応する通路の長さの少なくとも一部分に沿って延在する。

Description

本発明は、特に自動車の内燃機関によって生成される排気ガスの流れのようなガス流れのプラズマ処理用リアクタに関する。

自動車からの排出物に関する規制は、本質的に、４つの汚染物質、すなわち不燃焼炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び固形微粒子に関係する。

過剰酸素（希薄混合気を燃焼させるガソリンエンジン又はディーゼルエンジン）で作動する内燃機関の場合には、ＨＣ及びＣＯの排出は、高温で作動し且つそれらを実際に完全に二酸化炭素（ＣＯ_２）に変換する酸化触媒コンバータを使用することで低減される。

ＮＯｘの排出は、ＮＯｘトラップ内に捕捉され貯蔵でき、このトラップは、混合気の濃度を一時的に増加させることにより周期的に再生させなければならない。

さらに、ほとんどのディーゼルエンジンによって生成される微粒子も、再生させなければならないトラップによって処理される。再生は、過剰酸素を使用して、蓄積された微粒子（すす）の酸化によって達成される。対応する反応の開始温度は比較的高く（＞６００℃）、その結果、エンジン管理による補助戦略（例えば後噴射又は交互噴射）は、エンジン運転条件にかかわらず再生を可能にするのに必要である。

代りの解決策は、６００℃の前記温度を約１００度を下げることにより燃焼温度を低減させるために燃料に触媒添加剤を加えることを、エンジン管理による補助戦略と組み合わせることである。最初の解決策に対する他の代案は、触媒位相をしみ込ませた微粒子フィルタを使用することである。

排出物を処理するこれら標準の方法は、複雑で、排気系統のコストを著しく増大させ、また、それらの効率は車両の運転条件の関数として変化する。

これらの問題を多少とも解消するため、ガス媒体の温度を増加させることなしに、放電により生成される高活性電子とガス分子との間の衝突によって準安定の種、遊離基及び高反応性イオンを形成することから成る非熱プラズマ技術を使用することが、当該分野において知られている。

放電は、電極間に数百キロボルトの電位差を印加して、励磁モード（例えば１００マイクロアンペアから数百アンペアまで）に応じて強さが変化する電気パルスを発生させることによって、得ることができる。放電は、ＮＯ_２、オゾン（Ｏ_３）、基、部分的に酸化した炭化水素、すす等の活性化された固体炭素を含有する種のような多数の分子及び種の生成を引き起こす。排気系統へ排出された未処理生成物よりも反応性のあるこれらの分子及び種は、適切な処理より（例えばそれらを触媒コンバータに通すことにより）無公害性の種に変換され得る。

例えば、上記技術に基づいたリアクタは、例えば文献ＷＯ００／５１７１４に記載されている。この場合、リアクタは、中空の誘電材料製円筒状本体を包含しており、この本体内には、処理されるガスのための通路が誘電性本体の中間領域に設けられ、電極が周辺面及び内部軸線方向孔の表面に設けられている。この構成は、本質的に、電極が非常に遠く離れていて、その結果、印加される電圧が非常に高くなければならないという欠点を有する。さらに、電極間のスペースが、セラミック材料及び処理されたガスが流れる通路によって不均一に占領されているので、電界の誘発効果が一定になり得ない。

この問題に対するの１つの解決策が、他の文献ＷＯ００／４９２７８に記載されている。この場合、リアクタは、処理されるガスが交互の正負ワイヤ電極の重ねられたベッドのアレイを通って軸線方向に循環できる円筒状エンクロージャを包含し、高電圧がそれぞれの電極ベッドに印加されて、それらの間にそれぞれの電界を作る。

各電極は、一連の軸線方向に整合した円筒状ピンを通過し、同じ半径方向平面における隣接ピンは、エンクロージャに固定された支持グリッドによって張設される。

この構成は、確かに電界をより一定にし、また反対極性の電極をより接近させ、その結果、電圧を低下させることができるが、非常に複雑で脆弱であるので、製造コストを著しく増大させるとともに、使用における劣化の危険性を導く結果となる。

本発明の目的は、先行技術の欠点を無くした、上述の一般的なタイプのリアクタを提供することにある。

従って、本発明は、特に自動車の内燃機関によって生成された排気ガスを処理するための、ガス流れのプラズマ処理用リアクタであって、複数の平行な長手方向通路が通る誘電材料製の全体的に細長のリアクタ本体、処理されるガスの流れを前記本体を通して導くための入口及び出口手段、及び、前記本体内でコロナ放電を生起してこの本体内における前記ガス流れの処理を誘発する電極を包含するリアクタにおいて、前記電極の各々が前記複数の通路のうちの１つの通路内に配置され、対応する通路の長さの少なくとも一部分に沿って延在することを特徴とするリアクタを提供している。

これらの特徴により、リアクタは、放電の一定分布を促進して、処理されるガスの均質処理を可能にするように、均質の電界を発生できる、丈夫でコンパクトな構造を有し得られる。さらに、本発明は、大きな変更なしに、排気ガス処理分野において通常用いられているモノリシックカーカスの使用を可能にしている。

本発明の他の有利な特徴によると：
− 通路が、重なった長手方向平面において前記リアクタ本体内に並んで配置され、前記電極が少なくとも２つの平行な電極ベッドに配設され、電極ベッドの一方が高圧電源の一方の極に接続されるようになっている電極を備え、電極ベッドの他方が前記高圧電源の他方の極に接続されるようになっている電極を備え、前記電極ベッドが所定の距離を互いにオフセットされている；
− 前記リアクタ本体の同じ前面に位置された同じ電極ベッドの電極の端部が、前記高圧電源の対応する極に接続された導電性バーに共通に接続されている；
− 前記接続バーが、リアクタ本体の端面に形成された溝内に配置されている；
− 前記接続バーを収容する前記溝が、誘電材料を使用して塗られている；
− 前記接続バーとは反対側の各電極の端部が、対応する端部でその電極を収容する通路を塞ぐ誘電材料に埋設される；
− リアクタが少なくとも３つの電極ベッドを備え、前記高圧電源の一方の極に接続された１つ又は複数の電極ベッドが、前記高圧電源の他方の極に接続された２つの電極ベッドの間に配置される；
− ２つの重ねられた隣接電極ベッドの電極が、これらの電極ベッドに対して直角な平面において整合した通路内に配置される；
− ２つの隣接し重ねられた電極ベッドの電極が、５の目型に配列されたそれぞれの通路に挿入される；
− 前記電極が、好適には全体的に円形断面のロッドである；
− 前記電極の少なくとも幾つかのロッドが凹凸又は起伏を設けられている；
− 電極の凹凸又は起伏が螺旋状プロフィールに従って電極に沿って延在する；
− 前記リアクタ本体がコージライトのようなセラミックで作られている。

本発明は、また、上記に記載のリアクタを包含しており、電極を備えていない前記リアクタ本体の通路が、前記本体の一方又は他方の面で交互に塞がれることを特徴とする微粒子フィルタを提供している。

この微粒子フィルタにおいて、前記リアクタ本体の２つの隣接した平行な平面に位置された通路は、前記本体の一方又は他方の面でそれぞれ交互に塞がれていてよい。しかしながら、前記リアクタ本体の共通平面に位置された隣接通路は、前記本体の一方又は他方の面で交互に塞がれていてもよい。さらに、通路の壁は触媒材料で被覆されていてよい。

本発明は、さらに、上記に記載のリアクタを包含しており、電極を備えていない前記リアクタ本体の通路が、リアクタ本体の両面で開放していることを特徴とする触媒コンバータを提供している。

本発明の他の特徴及び利点は、単なる例として添付図面を参照して行われる下記説明から明らかとなるであろう。

図１は、本発明によるリアクタの外部斜視図であり、このリアクタは再生微粒子フィルタとして又は触媒コンバータとして使用できる。ここでは円筒形状で、例えばクリンプ結合２に沿う２つの縁部で結合される薄鋼板、できればステンレス鋼から好適には作られるリアクタエンクロージャ１が示されている。このエンクロージャは、例えばINTERAMタイプのサーマルウールのような絶縁体で形成された被覆３を内部にライニングされている。エンクロージャ１は、リアクタを排気系統（図示しない）に接続するためのそれぞれのコネクタ６及び７を備えたフランジ４及び５によって両端部を閉じられている。図１の実施例は全体的に円筒形状のリアクタを有するが、自動車産業におけるリアクタのための通常の形状と類似した他の一般的な形状が予見できるので、これは本発明を限定するものではないことに注意されたい。

図２，３及び５は、被覆３の内側でリアクタエンクロージャ１内に配置されるようになっている本発明によるリアクタ本体８の１つの好適な実施例を示しており、この被覆はシール、断熱及び排気系統の振動からの保護を提供する。図２及び３は、互いに９０°をなす縦断平面における部分的な図である。得られたリアクタ本体８は、詳細を後述する方法で再生微粒子フィルタを構成するのに使用される。

リアクタ本体８は全体的に細長形状のモノリシックカーカス９で形成され、このカーカス内には、本体８の長手方向と平行な通路１０が設けられている。図示の実施例では、カーカスの断面で見たとき、これらの通路１０はハニカムアレイを備え、各通路１０の断面は正方形である（図５参照）。この例は限定しているものではなく、互いに対する通路の他の配置及び例えば六角形断面のような他の断面が予見できる。

モノリシックカーカス９は、好適には、非常に低い誘電伝導性及び高温に耐える能力を有する材料で作られる。コージライトのようなセラミック材料は非常に適切である。カーカス９は、触媒コンバータ及び・又は微粒子フィルタの分野において知られた任意の方法によって製造されてよい。通路１０の壁は、適用可能なところで触媒材料を被覆されてよい。

図２及び３に示される実施例は、微粒子フィルタ用のリアクタ本体８を構成し、通路１０は、リアクタ本体のそれぞれの両端部にプラグ１１ａ及び１１ｂを備えており、例えば通路１０ａ（図３）のような任意の通路は、リアクタ本体８の入口端部（図２及び３の左側）にプラグ１１ａを有するのに対し、例えば通路１０ｂのような通路１０ａに隣接する通路は、リアクタ本体の出口端部（図２及び３の右側）にプラグ１１ｂを有する。結果として、リアクタ本体８の入口から出口への経路では、処理されるガスは、それが含んでいる微粒子を保持しその後に再生により除去するために、通路を互いに分離している壁を通過するのを抑制される。

本発明の１つの重要な特徴によれば、リアクタは複数の電極ベッド１２及び１３を備えており、これら電極ベッドのうちの３つが図３に見えている。

各電極ベッド１２及び１３は、本体８の通路１０内に配設された複数の平行な電極１４で形成され、各電極は電導材料性ロッドを備えている。図示の実施例では、電極の直径は、好適には、電極の熱膨張を許容するようにカーカス９の通路１０の断面での側辺の長さよりも幾分小さい。

電極ベッド１２又は１３の電極１４は、それぞれ横方向接続バー１５，１６によって一端部で互いに電気的に接続される。接続バー１５又は１６はそれぞれの電極１２又は１３に単に接しているか、あるいは、適切なところでは電極に溶接又はろう付けされてよい。横方向バー１５及び１６はそれぞれ接触ロッド１７，１８に電気的に接触し、接触ロッド１７，１８はリアクタ本体８に関して横に位置し、該ロッドによって、電極ベッド１２及び１３が、図示しない適宜の電気導体を介して高圧電源２１の正極１９及び負極２０にそれぞれ接続される。

結果として、図示の例では、電極ベッド１２はリアクタの陽極面を形成し、電極ベッド１３は陰極面を形成する。図３は３つの電極面だけを示しているに注目するであろうが、この数は限定されるものではないことが分かるであろうし、リアクタ本体８は複数の電極ベッドを備えることができ、陰極面は２つの陽極面の間に又はその逆に常に位置されることが理解されよう。また、たった１つの陰極面と協働するたった１つの陽極面も予見できる。概して、電極面の数は、例えば高電圧値及び反対極性の２つの電極面の間の距離などのような幾つかの基準の関数として選択され、この距離自体はリアクタ本体の容積によって決定される。

横方向接続バー１５及び１６は、カーカス９の端面の前部の溝２２に収容される。電極の各ベッドを設置した後、溝２２はセラミックペースト２３で塗られ、その上、電極を収容する通路１０の反対側端部は、同様にセラミックペースト２４を使用して塞がれる。これは、スパイク効果によって引き起こされる対応する面での不時の放電の発生を防止する。

図２ａの詳細図に示されているように、陽極及び・又は陰極電極ベッド１２，１３の電極１４は、好適には、その長さ全体にわたって走る螺旋状凹凸又は起伏２５を設けている。図示の例では、これら螺旋状起伏２５のうちの２つは、電極１４の断面において互いに対して１８０°オフセットされている。これら起伏は、ガスが処理される、すなわちコロナ放電が起こらなければならないリアクタ本体８の領域でのスパイク効果を促進するように意図されている。

プラグ１１ａ及び１１ｂ並びにセラミックペースト２３及び２４の材料は、好適には低い誘電伝導性である。この材料は、有益には、熱膨張問題を回避するカーカス９の材料と同じである。

高圧電源２１は、陽極及び陰極電極ベッド１２及び１３の間で連続的に印加される直流電圧を供給するように設計されていてよい。しかしながら、電源２１からの高電圧がパルス電圧で、パルスが好適には急上昇稜線を有する場合、ガスの処理が促進され、伝えられるエネルギが増加され得ることが判っている。例えば、図１０に示されるように、パルスは、その傾斜が数ｋＶ／ナノ秒のものを使用されてよい。連続的に印加される電圧と比較して、パルス電圧供給は、カーカス９に固有の直流破壊電圧より高いピーク電圧レベルを許容しながら、リアクタ内に注入されるエネルギを最適化する。パルス供給は典型的には、１０〜４０ｋＶの最低電圧、１０ｎｓより短いパルス上昇稜線、できるだけ短いパルス幅（数百ｎｓよりも小さい）、及び１Ｈｚ〜１ｋＨｚの反復周波数を提供し、これらすべての値は単なる例として与えられたものである。電源２１の電力定格は、電極ベッド１２及び１３の間で確立される放電の数、各ベッドに設けられた電極の数、電極ベッド１２及び１３の間隔、カーカス９が作られる誘電体の特性、及びフィルタ内を循環するガス媒体の誘電係数の関数として選択される。

図４は、触媒コンバータとして使用されるリアクタの実施例の図３のものと類似した図である。この場合、電極ベッド１２及び１３の無い通路は、リアクタ本体８の一端部から他端部へ開放され、その結果、処理されるガスは、リアクタ全体を通って妨げられることなく通過する。他方、図２，３及び５に示される実施例に関して記載されているように、電極を備えた通路は各端部を塞がれている。

一方では図２，３及び５に、他方では図４に示される実施例において、各電極ベッド１２及び１３では、電極が、モノリシックカーカス９の共通平面に位置されたすべての隣接通路１０内に設けられていると想定してある。この構成は、リアクタ本体８内でコロナ放電の最大密度を達成するが、高い電力を必要とする。

図６に示された本発明の変形例は、陽極及び陰極電極ベッド１２及び１３をそれぞれ収容するようになっている隣接通路のうちの２つごとに単に１つの電極を設けることにより、各電極ベッドにおける電極の数を減少する。そうすると、コロナ放電の密度は明らかに低いが、或る場合には、リアクタを通って流れるガスの十分な処理を達成するのに十分となり得る。図中のぎざぎざ線ＬＢは放電を表す。

図７の変形例において、２つの隣接する陽極及び陰極電極ベッド１２及び１３のうちの２つごとに１つの通路内に電極を設けるとともに、２つのベッドの電極を５の目型に配列することにより、コロナ放電の密度は図６の構成に比べ増加され得る。この構成では、コロナ放電は、例えばベッド１２の２つの電極とベッド１３の単に１つの電極との間で２つの好ましい経路で確立され得る。この種のコロナ放電がぎざぎざ線ＬＢ１及びＬＢ２によって表される。

図６〜９は、微粒子フィルタとして使用されるリアクタに関連して一端部で通路を閉塞する２つの方法を示している。図６，７及び８では、リアクタ本体８の同じ平面における通路は、本体の一面及び他面に交互に位置されたプラグ１１ａ及び１１ｂによって塞がれると想定してある（これは図２及び３の実施例の場合も同じである）。

他方、図９の変形例では、リアクタ本体８の同じ平面Ｐ１における通路１０はその同じ端部ですべて塞がれるのに対し、隣接した平面Ｐ２に位置された通路は反対側端部で塞がれている。

本発明によるリアクタの部分的に切除した概略斜視図である。 特に再生微粒子フィルタを構成する、図１に示したリアクタエンクロージャ内に配置されている本発明によるリアクタ本体の部分的な縦断面図である。 リアクタの１つの電極の詳細の拡大斜視図である。 図２からのリアクタ本体の部分的な縦断面図で、この断面平面は図２の図に対して９０°の電極面である。 特に触媒コンバータとして使用されるようにしたリアクタ本体の図３の断面図と類似した断面図である。 通路の配置及び形状の一例を示す本発明によるリアクタ本体の一端部の部分的な斜視図である。 特に再生微粒子フィルタとして使用されるようにしたリアクタ本体内の電極の他の配列を示す図である。 特に再生微粒子フィルタとして使用されるようにしたリアクタ本体内の電極のさらに他の配列を示す図である。 リアクタ本体の通路の閉塞の一例を示す図である。 リアクタ本体の通路の閉塞の他の例を示す図である。 反対極性の電極ベッド間で印加され得る電圧パルスの一例を示す図である。

Claims (18)

1. 特に自動車の内燃機関によって生成された排気ガスを処理するための、ガス流れのプラズマ処理用リアクタであって、複数の平行な長手方向通路（１０）が通る誘電材料製の全体的に細長のリアクタ本体（８）、処理されるガスの流れを前記本体を通して導くための入口及び出口手段（６，７）、及び、前記本体内でコロナ放電を生起してこの本体内における前記ガス流れの処理を誘発する電極（１４）を包含するリアクタにおいて、前記電極（１４）の各々が前記複数の通路（１０）のうちの１つの通路（１０）内に配置され、対応する通路の長さの少なくとも一部分に沿って延在することを特徴とするリアクタ。
2. 請求項１記載のリアクタにおいて、通路（１０）が、重なった長手方向平面において前記リアクタ本体（８）内に並んで配置され、前記電極（１４）が少なくとも２つの平行な電極ベッド（１２，１３）に配設され、電極ベッドの一方が高圧電源（２１）の一方の極に接続されるようになっている電極を備え、電極ベッドの他方が前記高圧電源（２１）の他方の極に接続されるようになっている電極を備え、前記電極ベッド（１２，１３）が所定の距離を互いにオフセットされていることを特徴とするリアクタ。
3. 請求項２記載のリアクタにおいて、前記リアクタ本体（８）の同じ前面に位置された同じ電極ベッド（１２，１３）の電極（１４）の端部が、前記高圧電源（２１）の対応する極に接続された導電性バー（１５，１６）に共通に接続されていることを特徴とするリアクタ。
4. 請求項３記載のリアクタにおいて、前記接続バー（１５，１６）が、リアクタ本体（８）の端面に形成された溝（２２）内に配置されていることを特徴とするリアクタ。
5. 請求項４記載のリアクタにおいて、前記接続バー（１５，１６）を収容する前記溝（２２）が、誘電材料（２３）を使用して塗られていることを特徴とするリアクタ。
6. 請求項３ないし５のいずれか１項に記載のリアクタにおいて、前記接続バー（１５，１６）とは反対側の各電極（１４）の端部が、対応する端部でその電極を収容する通路（１０）を塞ぐ誘電材料（２４）に埋設されることを特徴とするリアクタ。
7. 請求項２ないし６のいずれか１項に記載のリアクタにおいて、リアクタが少なくとも３つの電極ベッド（１２，１３）を備え、前記高圧電源（２１）の一方の極に接続された１つ又は複数の電極ベッドが、前記高圧電源（２１）の他方の極に接続された２つの電極ベッドの間に配置されることを特徴とするリアクタ。
8. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載のリアクタにおいて、２つの重ねられた隣接電極ベッド（１２，１３）の電極（１４）が、これらの電極ベッドに対して直角な平面において整合した通路（１０）内に配置されることを特徴とするリアクタ。
9. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載のリアクタにおいて、２つの隣接し重ねられた電極ベッド（１２，１３）の電極（１４）が、５の目型に配列されたそれぞれの通路に挿入されることを特徴とするリアクタ。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のリアクタにおいて、前記電極（１４）が、好適には全体的に円形断面のロッドであることを特徴とするリアクタ。
11. 請求項１０記載のリアクタにおいて、前記電極（１４）の少なくとも幾つかのロッドが凹凸又は起伏（２５）を設けられていることを特徴とするリアクタ。
12. 請求項１１記載のリアクタにおいて、電極（１４）の凹凸又は起伏（２５）が螺旋状プロフィールに従って電極に沿って延在することを特徴とするリアクタ。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のリアクタにおいて、前記リアクタ本体（８）がコージライトのようなセラミックで作られていることを特徴とするリアクタ。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のリアクタを包含しており、電極（１４）を備えていない前記リアクタ本体（８）の通路（１０）が、前記本体の一方又は他方の面で交互に塞がれることを特徴とする微粒子フィルタ。
15. 請求項１４記載の微粒子フィルタにおいて、前記リアクタ本体（８）の２つの隣接した平行な平面（Ｐ１，Ｐ２）に位置された通路が、前記本体の一方又は他方の面（１１ａ，１１ｂ）でそれぞれ交互に塞がれることを特徴とする微粒子フィルタ。
16. 請求項１４記載の微粒子フィルタにおいて、前記リアクタ本体の共通平面に位置された隣接通路（１０）が、前記本体の一方又は他方の面（１１ａ，１１ｂ）で交互に塞がれることを特徴とする微粒子フィルタ。
17. 請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の微粒子フィルタにおいて、通路の壁が触媒材料で被覆されていることを特徴とする微粒子フィルタ。
18. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のリアクタを包含しており、電極を備えていない前記リアクタ本体の通路（１０）が、リアクタ本体（８）の両面で開放していることを特徴とする触媒コンバータ。

Images