JP2009523209A - 内燃機関の排ガス内の粒子量を減少させる方法と装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の排ガス内の粒子量を減少する本発明の装置１は、排ガスが貫流する少なくとも２個の構造物３、４を有し、運転中、まず第１構造物３を、続いて第２構造物４を排ガスが貫流し、その第１構造物３と第２構造物４との間に電位差が発生される。これにより、排ガスは第２構造物４の下流で、時間的に平均して、第１構造物３の上流における排ガスより少ない粒子を有する。また、粒子は第２構造物４の下流において、第１構造物３の上流におけるより大きな平均直径を有し、これにより、内燃機関の排ガスにおける特に微粒子の放出が減少される。この結果、排ガスは第２構造物４の下流において、時間的に平均して、第１構造物３の上流における排ガスより少ない粒子を有する。また、粒子は第２構造物４の下流において、第１構造物３の上流におけるより大きな平均直径を有し、これにより、内燃機関の排ガスにおける特に微粒子の放出が減少される。

Description

本発明は、内燃機関の排ガス内の粒子量を減少させる方法と装置に関する。

燃料として炭化水素で運転される内燃機関は、特に炭素含有粒子も含む排ガスを放出する。炭素含有粒子は種々の大きさを有し、その粒度分布は変動する。特に微粒子とも呼ばれる小さな直径の炭素含有粒子は、人間および動物の健康被害に関し問題となる。ここで微粒子とは、特に平均直径が１００ｎｍ以下である粒子を意味する。炭素含有粒子は、場合によっては炭化水素が付着した炭素粒子も含んでいる。

特に自動車からの粒子放出を減少すべく、通常、互い違いに閉じられた多数の通路とその通路間における多孔性壁とを有する構造物が排ガスで貫流される、所謂密閉粒子フィルタ（粒子トラップ）が採用されている。既に粒子が付着した状態でも粒子フィルタのできるだけ小さな背圧を保証すべく、微粒子を殆ど濾過せずに通過させてしまう有孔率を採用せねばならず、そのために、かかる密閉粒子フィルタは、今日の代表的見解によれば特に人体の大きな健康被害を引き起こす粒子を通過させてしまう。

本発明の課題は、従来公知の欠点を少なくとも低減した、内燃機関の排ガス内の粒子量を減少させる方法と装置とを提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の装置および請求項７に記載の方法によって解決される。その従属請求項は、有利な実施態様を示している。

本発明に基づく装置は、内燃機関の排ガス内の粒子量を減少させるために用いられ、排ガスが貫流する少なくとも２個の構造物を有し、その運転中、まず第１構造物が、続いて第２構造物が排ガスで貫流される。本発明に基づいて、第１構造物と第２構造物との間に電位差が発生される。

ここで構造物とは、排ガスが貫流する少なくとも１個の空洞を有する構成要素を意味する。例えばかかる構造物は、ハニカム体、金網構造物、発泡金属構造物等である。電位差は、特にいずれか一方の構造物、特に第２構造物を大地に導電接続し、他方で、第１構造物に電圧、特に大地に対し負の電圧を印加することで発生される。特に好適には、少なくともいずれか一方の構造物と排気装置の他の構成要素との間、特にいずれか一方の構造物と少なくとも１個の他の構造物との間を電気的に絶縁する。この場合、プラズマを生じさせないような電位差を与えるとよい。

本発明に基づく装置は、運転中に粒子の凝集を促して粒子の平均直径を増大させ、同時に排ガス内における粒子量を減少させる。これは粒子に電荷が伝達される静電凝集に起因する。この電荷伝達は、例えば窒素イオンを介して行われ、そのため粒子は負の電荷を持つ。これは同時に正に荷電した電極として作用する相応した荷電構造物における粒子の分離を促進し、そこで多数粒子の凝集を促進する。この結果平均粒子直径が増大する。第２構造物での粒子の分離後、増大した粒子が第２構造物から離脱したときでも、増大した粒子の分裂は生じない。これは、運転中に一方では本発明に基づく装置によって排ガス内の粒子量を減少させ、他方では粒度分布関数が大きな粒子の方に変位させるようにし、もって、特に本発明に基づく装置を通しての微粒子の放出を著しく減少させ得る。

本発明に基づく装置の有利な実施態様では、少なくとも１個の構造物が、流体が貫流できる多数の空洞を有する。

該空洞は、例えば通路のような規則的空洞および／又は例えば発泡金属や金網構造物で形成された不規則的空洞である。

本発明に基づく装置の他の有利な実施態様では、少なくとも１個の構造物がハニカム構造物を有する。

ハニカム構造物は、少なくとも部分的な金属ハニカム構造物であるとよい。特に少なくとも１個の構造物は、少なくとも１つの金属層（金属箔）の巻回やねじりによって形成できる。少なくとも１つの層の少なくとも一部を、流体が少なくとも部分的に貫流する。また、本発明に基づき、電極を支持するセラミックハニカム構造物も使用できる。

本発明に基づく装置の他の有利な実施態様では、少なくとも１個の構造物が少なくとも部分的に触媒活性被膜を備える。

ここでは、三元触媒コンバータの通常の被膜が形成される。基本的には、粒子の転換、即ち、特に粒子の少なくとも部分的酸化を触媒する被膜が有利であり、これにより、第２構造物の再生温度を下げられる利点がある。

本発明に基づく装置の他の有利な実施態様では、流れ方向において、第１構造物が第１長を有し、第２構造物が第２長を有し、その第２長と第１長との比は１より小さい。

できるだけ良好な分離率を得るべく、第２構造物が第１構造物より長いと好ましい。特に第２構造物の長さは、第２構造物が運転中に発生する静電力によって所定割合（％）の粒子がその構造物の壁まで転向されるように定められる。第２長と第１長との比を１より小さくする代わりに、その比を１より大きく定めることもできる。その場合は、第２構造物に続く排気管の部材を第２構造物と同じ電位にし、もって、特に大きな排ガス流量の際に排気管のその部材を同様に粒子を分離するために使える。

本発明に基づく装置の他の実施態様では、流れ方向において、第１構造物が第１長を有し、第１構造物と第２構造物との間に流れ方向の間隔が形成され、その場合、第１長と間隔との比がほぼ２より大きく、好適にはほぼ４より大きく、特に有利にはほぼ７より大きくされる。

基本的には、本発明に基づく装置において、その間隔は、第１構造物と第２構造物との間で全く短絡が生じない程に小さく定められる。

本発明の他の観点に応じ、まず第１構造物が、続いて第２構造物が排ガスで貫流され、その場合、第１構造物と第２構造物との間に電位差が発生される、内燃機関の排ガス内における粒子量を減少させる方法を提案する。

特に本発明に基づく方法は、本発明に基づく装置において実施される。

本発明に基づく方法の有利な実施態様では、電位差は時間的にほぼ一定している。

時間的にほぼ一定した電位差は簡単な様式で保証できる。ここでほぼ一定した電位差とは、その変動が電位差の平均値の９５％〜１０５％の範囲にあることを意味する。

本発明に基づく方法の他の有利な実施態様では、電位差が時間的に変化する。

ここでは、特に電位差の正負符号反転が存在せず、即ち、第２構造物の電位が常に第１構造物の電位より高い電位差の時間的変化が有利である。ここでは特に電位差の周期的変化、特に好適には１０Ｈｚおよびそれ以下の周波数、特に５Ｈｚの周波数の低周波電位差変化が有利である。その電位差の時間的変化によって、第２構造物に一様に且つ調整可能に粒子を捕集できる。

本発明に基づく方法の他の有利な実施態様では、電位差は５ｋＶより大きい。

特に、電位差は１０ｋＶ又は３０ｋＶ、或いはそれ以上に大きくすることもできる。これは、粒子への効果的な電荷伝達を可能とする。

本発明に基づく方法の他の有利な実施態様では、第１構造物と第２構造物との間の電位差は正の電位差である。

即ち、第２構造物が第１構造物より高い電位を有し、この結果粒子を第１構造物の貫流時に負イオン化し、そして第２構造物において分離して凝集させることができる。

本発明に基づく方法に対して開示した利点と詳細は、本発明に基づく装置に同じように利用でき転用できる。本発明に基づく装置に対して開示した利点と詳細は、本発明に基づく方法に同じように利用し、かつ転用できる。

以下、図を参照して本発明を詳細に説明するが、本発明はそこに示す実施例に限定されない。

図１は、内燃機関（図示せず）の排ガス内の粒子量を減少するための本発明に基づく装置１を概略的に示す。この装置１を運転中に流れ方向２に排ガスが貫流する。装置１の運転中、まず第１構造物３を、続いて第２構造物４を排ガスが貫流する。第１構造物３と第２構造物４との間に電位差が発生される。両構造物３、４は各々電気接続端子５を有し、これら電気接続端子５を介して両構造物３、４に各々所定の電位が印加される。この実施例において、第１構造物３は負の電位にあり、第２構造物４は正の電位にある。これは接続端子５を相応した直流電圧源６に接続することによって達成される。

粒子を含む排ガスがいま第１構造物３を貫流すると、電荷が炭素含有粒子に伝達され、このため粒子は負の電荷を持つ。それから第２構造物４を貫流する際、第２構造物４において粒子の分離が行われ、その粒子は互いに付着し、相互に結合され、その結果凝集を起こす。凝集済み粒子は後で第２構造物４において変換されるか、ガス脈動によって第２構造物４から離脱する。これに伴い、排ガスは第２構造物４の下流で、時間的に平均して、第１構造物３の上流における排ガスより少ない粒子数を示す。また、粒子は第２構造物４の下流において、第１構造物３の上流におけるより大きな平均直径を有し、これにより、内燃機関の排ガスへの特に微粒子の放出が減少する。

流れ方向２において、第１構造物３は第１長７、第２構造物４は第２長８を持つ。両構造物３、４は相互間に間隔９を有する。好適には、第２長８は第１長７より短い。その代わりに又はそれに加えて間隔９は第１長７より小さく、特に非常に小さい。両構造物３、４は例えば通常のハニカム構造物又はハニカム体として形成される。両構造物３、４は、その代わりに又はそれに加えて、少なくとも部分的に、例えば金網構造物、フィルタカートリッジ、発泡金属や発泡セラミックスで形成される。

図２は構造物３、４の実施例を概略的に横断面図で示す。該構造物３、４はハニカム構造物１０として形成されている。この実施例では、ハニカム構造物１０は、組織化された金属層（箔）１１とほぼ平形の金属層（箔）１２を、両者間に通路１３を形成して互いに積層し、その積層体を巻回して形成している。該通路１３を通って排ガスが流れる。第１構造物３と第２構造物４は、好適には、異なる厚さの金属層（箔）１１、１２から単位横断面当たり異なった通路数で形成されている。好適には、両金属層１１、１２の少なくとも一部は、少なくとも部分的に多孔性を有する。

第１構造物３の排ガス内に含まれる炭素含有粒子への電荷の移送により、第２構造物４で炭素含有粒子の分離と凝集が行われる。

本発明の実施例の概略断面図。 考え得る構造物の横断面図。

符号の説明

１ 内燃機関の排ガス内の粒子量を減少するための装置、２ 流れ方向、３ 第１構造物、４ 第２構造物、５ 電気接続端子、６ 直流電圧源、７ 第１長、８ 第２長、９ 間隔、１０ ハニカム構造物、１１ 組織化された金属層（箔）、１２ ほぼ平らな金属層（箔）、１３ 通路

Claims (11)

1. 排ガスで貫流される少なくとも２個の構造物（３、４）を有し、内燃機関の排ガス内の粒子量を減少させる装置（１）であって、
   運転中、排ガスがまず第１構造物（３）、続いて第２構造物（４）を貫流し、その際、第１構造物（３）と第２構造物（４）との間に電位差が発生されることを特徴とする内燃機関の排ガス内の粒子量を減少させる装置。
2. 少なくとも１個の構造物（３、４）が、流体が貫流する多数の空洞を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 少なくとも１個の構造物（３、４）が、ハニカム構造物（１０）を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 少なくともいずれか一方の構造物（３、４）が、少なくとも部分的に触媒活性被膜を有することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
5. 流れ方向（２）において、第１構造物（３）が第１長（７）を有し、第２構造物（４）が第２長（８）を有し、第２長（８）と第１長（７）との比が１より小さいことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
6. 流れ方向（２）において、第１構造物（３）が第１長（７）を有し、第１構造物（３）と第２構造物（４）との間に流れ方向（２）における間隔（９）が形成され、前記第１長（７）と間隔（９）との比が２より大きいことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
7. まず第１構造物（３）が、続いて第２構造物（４）が排ガスで貫流される内燃機関の排ガス内における粒子量を減少させる方法であって、
   第１構造物（３）と第２構造物（４）との間に電位差を発生させることを特徴とする内燃機関の排ガス内の粒子量を減少する方法。
8. 電位差を時間的にほぼ一定させることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 電位差を時間的に変化させることを特徴とする請求項７記載の方法。
10. 電位差が５ｋＶより大きいことを特徴とする請求項７から９の１つに記載の方法。
11. 第１構造物（３）と第２構造物（４）との間の電位差が正の電位差であることを特徴とする請求項７から１０の１つに記載の方法。

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