JP2013536355A - 内燃機関の排ガス中のすす粒子を還元する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の少なくとも部分的に導電性の構造１、第２の少なくとも部分的に導電性の構造２、第１の構造１と第２の構造２との間の中間スペース３、第１の構造１と第２の構造２との間に電位を生成する高電圧源１１、を少なくとも有し、中間の電位を生成することができる少なくとも１つの少なくとも部分的に導電性の中間構造８が、中間スペース３に配置される、排ガス中の、特に内燃機関の排ガス中のすす粒子を還元するための装置および方法に関する。すす粒子を有する排ガスを処理するための本発明による方法において、排ガスは、第１の構造１から第２の構造２へ流れ、そして、第１の構造１と第２の構造２との間に少なくとも一時的に高電圧が適用されて、その結果、排ガス中のすす粒子の少なくとも一部は、イオン化されるかまたは集塊されて、第２の構造２上に沈積される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガス中のすす粒子を還元する方法および装置に関する。

燃料としての炭化水素により作動される内燃機関は、なかでも、炭素質粒子も含む排ガスを発生する。これらの炭素質粒子は、異なるサイズであり、その分布は、多くの状況に依存する。特に、小径の（微粒子とも呼ばれる）炭素質粒子は、人間のおよび動物の疾患の原因となると考えられる。この場合、微粒子は、平均直径が１００ナノメートル以下の粒子を特に意味すると理解される。炭素質粒子は、特に、おそらく蓄積された炭化水素によるカーボン粒子も含む。

特に自動車両において粒子の排出を減らすために、閉じたチャネルとチャネル間の孔壁とを交互に備える構造を通って排ガスが流れる「閉じた粒子フィルタ」は、しばしば使われる。すでに荷電されたときでさえ、粒子フィルタの最小の対圧を確実にするために、微粒子がそれらがまだ実質的にフィルタ除去されない仕方で通過することを特に許容するように、有孔率は、使われなければならない。

より大きいすす粒子を形成するための小さいすす粒子の集塊および／またはすす粒子の電気的荷電が、電界および／またはプラズマの供給によって生じてよいこともまた、公知である。電気的に帯電しているすす粒子および／またはより大きいすす粒子は、通常、フィルタシステムにおいて分離することがより容易である。すす粒子の集塊は、それらのより大きな慣性のせいでより慣性的に排ガスの流れキャリアにおいて輸送されて、したがって、排ガスの流れの偏向点でより容易に沈積する。電気的に帯電しているすす粒子は、それらが蓄積されて電荷を解放される反対に帯電された表面に向かって、それらの電荷によって引きつけられる。これもまた、異なるフィルタまたは分離装置を有する自動車両の作動中に、排ガスの流れからのすす粒子の除去を容易にする。

記載されたアプローチのための電界の有効性は、なかでも、電界強度、有効断面積の電界の均一性、および長い期間にわたるその再現性に依存する。電気的絶縁に関して遭遇する困難、回路の短絡の回避、および望まれない電圧スパークも増加するにもかかわらず、より高い印加電圧は、有効である。これは、排ガス浄化システムにおける電界のすべての既知の構成のためのより大きいまたはより小さい範囲に忠実である。加えて、回路の短絡または電圧スパーク（電気アークの発生とも呼ばれる）の場合に、電界は、少なくとも一時的に破壊されてよく、したがって、システムの機能は、この種の期間中に確実にされない。

本発明の目的は、それから、上述の課題を少なくとも一部解決して、特に、移動排ガス処理システム用の電界を生成するための、先行技術と比較して改良される装置を開示することである。排ガスを処理する方法も、開示される。

これらの目的は、請求項１の特徴による装置および請求項９の特徴による方法により達成される。装置および方法のさらに有利な実施形態は、従属請求項の各々に開示される。請求項において個々に開示される特徴は、任意の技術的に可能な仕方において互いに結合されることもでき、記述から説明的な実質的な事項によって補充されることができて、本発明のさらなる実施形態は示される。

排ガス中の、特に内燃機関の排ガス中のすす粒子を還元するための本発明による装置は、第１の少なくとも部分的に導電性の構造、第２の少なくとも部分的に導電性の構造、第１の構造と第２の構造との間の中間スペース、第１の構造と第２の構造との間に電位を生成する高電圧源、を少なくとも有し、中間の電位を生成することができる少なくとも１つの少なくとも部分的に導電性の中間構造が、中間スペースに配置される。

導電性の中間構造は、その形状および／またはその電位の結果として、中間スペースの電界に影響を及ぼすことを可能にする。この中間構造は、したがって、電界をできるだけ均一にするために、または第１の構造と第２の構造との間に不均一に電界を構築するために用いることができる。最も単純な場合、中間構造は、中間スペースの中央に配置されることができて、第１の構造の電位と第２の構造の電位との間の中間の電位を得ることができる。これは、いくつかの応用のために有利である電界の均一化に至る。中間構造は、しかしながら、排ガスの流れ方向およびそれに対して垂直方向（すなわち半径方向）にも、電界を不均一にするために用いてもよい。ハウジング内の排ガスの流れは決して均一ではないので、電界の形状は、したがって、必要に応じて流れの状況（例えば、流れの中央に向かって集中する）に適することができる。

本発明の有利な開発において、第１の構造、中間構造および第２の構造は、排ガスがそれらの構造を連続して通って流れることができるように、排ガスの流れの方向に連続して配置される。構造は、したがって、現在優勢なそれぞれの流れの状況に適することができる。構造は、しかしながら、それらが個々に流れに影響することができるように構成されることもできる。

排ガスは、第１の構造、第２の構造、および中間構造をも通って流れることができることが好ましい。この点に関して、第１の構造、第２の構造および中間構造は、断面積において排ガスの流れを完全にカバーすることが特に好ましい。その結果、排ガスの流れの全ては、個々の構造の各々を連続して通って特に完全に流れることができる。

本発明の好ましい実施形態において、構造のうちの少なくとも１つは、排ガスが通過することができる複数のチャネルを有し、ハニカム体の形の設計は、特に可能である。ハニカム体は、第１の構造および第２の構造の形（第２の構造は、特に粒子トラップとして形成されることができる）で先行技術においてすでに提案された。粒子トラップとして形成されるハニカム体の多くの実施形態は、先行技術において公知であり、それらが少なくとも部分的に導電性である状態に設けられる本発明のための第２の構造として用いることもできる。特に、排ガスが流れることのできるチャネルを有するシートメタル層から形成されるハニカム体は、先行技術の多くにおいて同様に公知であるように、第１の構造および中間構造のために考えられてよい。

第１の構造および中間構造は、特に、排ガスが流れることのできるチャネルを有し、少なくとも第１の構造は、排ガスが流れることのできる複数のチャネルを有することが特に好ましい。あるいは、第１の構造および第２の構造は、排ガスが流れることのできる複数のチャネルを有することが特に好ましい。さらなる実施形態において、すべての構造は、排ガスが流れることのできる複数のチャネルを有してもよい。

本発明によれば、構造のうちの全てまたは構造のうちのいくつかは、好ましくは、完全にまたは一部に、触媒活性コーティングを備えてよい。特に、自動車両の典型的な排ガス浄化システムに用いる触媒コーティングを有するハニカム体は、第１の構造および第２の構造のために考えられることができる。対照的に、中間構造は、一般に大きい表面を提供しなくて、流れ方向に短いディスクとして形成される。したがって、触媒活性コーティングは、より重要でない。中間構造は、導線格子として、または曲りくねった導線として、形成されることもできる。

ここで記述されるように、排ガスのイオン化のための典型的な装置は、電極の先端で発生する高電界を有する電界における電極を備える。そしてそれは、電子の、したがってイオン化の分離を促進する。本発明によれば、第１の構造は、第１の電極群も有することが好ましい。そしてそれは、先端放電を形成するために形状づけられて、整列される。中間構造は、第２の電極群も有することが特に好ましい。そして、第１の構造と中間構造との間に、または中間構造と第２の構造との間に高電圧が適用されるときに、先端放電が発生することができるように、すべての電極は、形状づけられて、整列される。複数の中間構造を用いるときに、電極群の全てのシリーズは、したがって、排ガス中に配置されることができる。そしてそれは、均一なイオン化を促進する。

第１の構造および少なくとも１つの中間構造は、電気的に絶縁された仕方でハウジング内に好ましくは配置されて、電気的に絶縁されたブッシュによって高電圧源に接続される。中間スペースの領域におけるハウジングの内側の電気的絶縁は、構造とハウジングとの間の電界および電圧スパークの望まれない変形を防止する。高電圧源は、１つ以上の分圧器を備えることが特に好ましい。そして、高電圧源から第１の構造のまたは中間構造の選択的な切断は、スイッチによって可能にされる。

本発明の別の実施形態において、互いに間隔を置いて配置される少なくとも２つの中間構造は、中間スペースに設けられる。そしてそれは、電界が異なる応用によりよく適することさえできる仕方で形状づけられることを可能にする。

本発明は、特に上記された装置を用いて、すす粒子を含む排ガスを処理するための方法にも関する。排ガスは、第１の構造から第２の構造へ流れ、そして、排ガス中のすす粒子の少なくともいくつかがイオン化されるかまたは集塊されて、第２の構造上に沈積されるように、第１の構造と第２の構造との間に少なくとも一時的に高電圧が適用される。本発明によれば、第１の構造と第２の構造との中間スペースに配置される中間構造に、第１および第２の構造の電位間の値を有する高電圧が、少なくとも一時的に適用される。第１の構造と第２の構造との間の電界の軸および／または放射プロフィールは、したがって影響される。そうすると、いかなる応用にも好都合な電界プロフィールは、発生することができる。

本発明はまた、中間構造の電位を変化させて、したがってそれを異なる運転条件に適応させるオプションを提供する。第１の構造の汚れたまたは不規則に焼けた電極の再生でさえ、したがって可能である。それ自身の電極群を有する複数の中間構造について、これらは、各々の中間構造に印加される電圧を変化させることによって、異なって作動されることもできる。第１の構造と第２の構造との間に比較的高い全体電圧（例えば１０ｋＶ（キロボルト））を用いるときに、個々の電圧スパークが生じる場合であっても、残りのシステムが排ガス浄化を維持するように、電圧は、中間構造によって分圧されることができる。

本発明は、例示的実施形態に基づいて以下により詳細に説明される。しかしながら、本発明はそれに制限されない。

図１は、中間構造を有する本発明による装置の模式的な構造を示す。

第１の構造１および第２の構造２は、ハウジング４の中間スペース３と共に配置される。例示的な本実施形態において、第２の構造２は、ハウジング３に電気的に接続していて、基準電位（グラウンドとも呼ばれる）を形成する。電気的絶縁５は、ハウジング４から第１の構造１を分離して、さらにハウジング４の内側で中間スペース３全体を通じて延びる。第１の構造１は、第１のブッシュ６を介して高電圧源１１に接続されることができる。そして、例えば２．５〜２５ｋＶの、好ましくは５〜１５ｋＶの正または負の高電圧は、前記第１の構造に適用されることができる。第１の構造１は、第１の電極グループ７を備える。そしてそれは、高電圧が適用されるときに、中間スペース３において先端放電に至る。そしてそれは、浄化される排ガスのイオン化を促進する。自由電子は、適用される電界によって中間スペース３へと加速される。そしてそれは、浄化される排ガスの原子または分子のイオン化に至る。中間構造８は、中間スペース３に配置されて、同様にハウジング４から電気的に絶縁され、そして、第２のブッシュ９を介して同様に高電圧にさらされることができる。以下の実施形態は、２つ以上の中間構造の使用によってもまた類似して有効である。

高電圧源１１は分圧器を備える。そしてそれは、最も単純な場合、図式的に第１の抵抗器２２および第２の抵抗器２３から成る。第１の部分電圧１２は、第１の抵抗器２２の両端間に現れる。第２の部分電圧１３は、第２の抵抗器２３の両端間に現れる。第１の抵抗器２２および／または第２の抵抗器２３が図に示すように制御可能である場合、第１の部分電圧１２と第２の部分電圧１３との間での高電圧源１１の全電圧の分割は、変化することができて、所望の値に設定されることができる。最も単純な場合において、例えば、中間構造８が第１の構造１と第２の構造２との間の正確に中間に位置して、そして、中間構造８が第１の構造１の電位と第２の構造２の電位との間の中間の電圧に設定されもする場合、中間スペース３における電界のより均一な配分は、したがって達成される。しかしながら、中間構造８のための電位を第２の構造２の電位により近く選択することによって、第１の構造１および第１の電極群７の近くにおいて電界を増加させることも、可能である。

図示の例示的実施形態において、中間構造８は、第２の電極群１０を担持する。それにより、第１の部分電圧１２のおよび第２の部分電圧１３の適切な選択と共に、２つの先端放電群は、浄化される排ガス中に設けられる。これは、装置を異なる運転条件および要求に適応させるための異なる有利な可能性を提供する。

第２の構造２は、フィルタ体１４として概して形成されて、中間スペース３においてイオン化されたおよび／または集塊されたすす粒子を分離するために用いられる。触媒活性コーティングは、すす粒子の変換およびフィルタ体１４の再生を支援する。第１の構造１は、固定されるピン電極１８を有する構造化シートメタル層１６から形成される金属ハニカム体１５として、概して具体化される。触媒活性コーティング１９を備えることも可能である。

本発明は、高電圧のイオン化を用いて失敗への低い感受性を有する異なる運転条件に適応することができる均一な排ガス浄化を可能にする。

１…第１の構造
２…第２の構造
３…中間スペース
４…ハウジング
５…電気的絶縁
６…第１のブッシュ
７…第１の電極群
８…中間構造
９…第２のブッシュ
１０…第２の電極群
１１…高電圧源
１２…第１の部分電圧
１３…第２の部分電圧
１４…フィルタ体
１５…ハニカム体
１６…構造化シートメタル層
１７…排ガスが流れることのできるチャネル
１８…ピン電極
１９…触媒活性コーティング
２０…第１のスイッチ
２１…第２のスイッチ
２２…第１の抵抗器
２３…第２の抵抗器

Claims (10)

1. 排ガス中の、特に内燃機関の排ガス中のすす粒子を還元するための装置であって、第１の少なくとも部分的に導電性の構造（１）、第２の少なくとも部分的に導電性の構造（２）、前記第１の構造（１）と前記第２の構造（２）との間の中間スペース（３）、前記第１の構造（１）と前記第２の構造（２）との間に電位を生成する高電圧源（１１）、を少なくとも有し、前記中間スペース（３）に、中間の電位を生成することができる少なくとも１つの少なくとも部分的に導電性の中間構造（８）が配置される、ことを特徴とする装置。
2. 前記構造（１、２、８）のうちの少なくとも１つは、排ガスが通過することができる複数のチャネル（１７）を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記構造（１、２、８）のうちの少なくとも１つは、ハニカム体（１５）として形成される、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記構造（１、２、８）のうちの少なくとも１つは、少なくとも一部に、触媒活性コーティング（１９）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記第１の構造（１）は、第１の電極群（７）を有し、前記少なくとも１つの中間構造（８）は、第２の電極群（１０）を有し、前記各電極群（７、１０）は、前記第１の構造（１）と前記中間構造（８）との間に、または前記中間構造（８）と前記第２の構造（２）との間に高電圧が適用されるときに、それらが先端放電を生成することができるように、形状づけられて、整列される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記第１の構造（１）および前記少なくとも１つの中間構造（８）は、電気的に絶縁された仕方でハウジング（４）内に配置されて、電気的に絶縁されたブッシュ（６、９）によって前記高電圧源（１１）に接続される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記高電圧源（１１）から前記第１の構造（１）のまたは前記中間構造（８）の選択的な切断を可能にするスイッチ（２０、２１）は、設けられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記中間スペース（３）において互いに間隔を置いて配置される少なくとも２つの中間構造（８）は、設けられる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 第１の構造（１）からの第２の構造（２）へ排ガスが流れ、排ガス中のすす粒子の少なくともいくらかがイオン化されるか集塊されて前記第２の構造（２）上に沈積されるように、前記第１の構造（１）と前記第２の構造（２）との間に少なくとも一時的に高電圧が適用される、特に請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置を用いて、すす粒子を含む排ガスを処理するための方法であって、前記第１の構造（１）と前記第２の構造（２）との間の中間スペース（３）に配置される中間構造（８）に、前記第１の構造（１）の電位と前記第２の構造（２）の電位との間の値を有する高電圧が、少なくとも一時的に適用される、ことを特徴とする方法。
10. 前記中間構造（８）の電位は、変化する、請求項９に記載の方法。

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