JP3409187B2 - 内燃機関の排ガスから粒子を除去する方法と装置 - Google Patents

内燃機関の排ガスから粒子を除去する方法と装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、内燃機関の排ガス流から煤などの粒子を除
去する方法、特に排ガス流を少なくとも１つの電極とそ
の下流に位置する少なくとも１つのフィルタに通し、排
ガス流が前記電極を通過する際に粒子を静電的に帯電さ
せて部分的に粒子の凝集を形成せしめ、凝集した粒子と
未凝集の粒子とを前記フィルタによって排ガス流から分
離する粒子除去方法に関する。本発明はまた、内燃機関
の排ガス流から煤などの粒子を除去する装置、特に排ガ
ス流の供給パイプ及び搬出パイプを有するハウジング
と、粒子を静電的に帯電させるために高電圧源に接続さ
れた少なくとも１つの電極と、該電極の下流に位置する
フィルタ本体とを備え、前記電極及び本体が前記ハウジ
ング内に組み込まれている粒子除去装置にも関する。
背景技術 内燃機関の排ガスによる環境汚染を大幅に減少させる
努力において、特にディーゼルエンジンの場合には排ガ
ス中の粒子の大気中への放出を削減させることが大きな
役割を果たす。従って排ガス流内に含まれる粒子、大体
において煤粒子を除去するために多くの技術的な試みが
なされてきた。
刊行物「都市定期バスの煤フィルタ技術（"Ruβfilte
rtechinik fr Stadtlinienbusse"）、Internationale
s Verkehrswesen40（1988）、第１分冊、１月/2月号」
には従来の技術が概説されており、それによれば、粒子
の分離には、セラミックモノリスフィルタ、セラミック
又はワイヤメッシュからなるフィルタエレメントを有す
るキャンドルフィルタ、セラミックヤーンのロールフィ
ルタ、或いは電気的な凝集装置とその後段に接続された
サイクロンとの組合せが利用されている。
最後に挙げた分離システムにおいては、電気的な凝集
装置内で粒子の凝集が行われ、それによって後段に接続
されたサイクロンの収集容器内で粒子に作用する遠心力
を利用して粒子を分離することができ、ガス流はサイク
ロンの逃がし管を通して清浄ガスとして排気管内に放出
される。この分離システムにおいては、もちろん分離さ
れた粒子を別に廃棄することが必要である。
フィルタを使用する場合には、フィルタの回復または
交換が必要である。というのは分離された粒子がフィル
タを塞ぎ、或いはフィルタへの粒子付着が増大するにつ
れてフィルタの圧力損失が上昇するからである。回復操
作は煤の点火温度を越える温度での焼切りによって行わ
れる。この温度は内燃機関の排ガスでは得られず、或い
は内燃機関を全負荷運転した際にしか得られないので、
内燃機関の駆動制御によって排ガス温度を上昇させる
か、燃料や吸気または排ガス自体に添加される触媒的に
有効な添加剤によるか、或いはフィルタを触媒でコーテ
ィングするか、いずれかの処置によって煤の添加温度を
低下させることが必要である。他の方法としては、例え
ばバーナーによって加熱する強制的なフィルタ回復法が
ある。
ワイヤメッシュ製のフィルタのような金属フィルタは
耐高熱性が低いという欠点を有し、上述の排ガスから粒
子を除去するのに充分でない。特にこの種の金属フィル
タは熱による回復操作には適していない。
米国特許第4,406,119号明細書には、内燃機関の排ガ
ス流から粒子を除去する方法が開示されており、そこで
は、粒子は電極を介して10〜20kVの高電圧で負に帯電さ
れて部分的に凝集され、更にフィルタ並びに後段に接続
されたサイクロンまたは加熱エレメントによって分離さ
れる。フィルタは多孔セラミックや金属メッシュ又は織
物からなる。
ヨーロッパ特許第0452433号公開公報には、帯電され
た煤粒子を逆極性の少なくとも１つのフィルタで濾過す
ることが開示されている。フィルタ材料は繊維又は耐熱
性の高い基材からなる開放孔ネット構造のものであり、
このネット構造は、発泡形態、多孔焼結体、繊維織物、
繊維編物、繊維フリース、又はゆるい繊維束の形態であ
り、しかもこれらは導電性繊維、導電性コーティングを
有する繊維、或いは同様の基材からなっている。フィル
タ材料としての導電性の繊維又は基材は、金属、例えば
特殊鋼で構成することができる。
特開昭59−145314号公報には、静電場を発生するため
の高圧電極と、その対電極として帯電された粒子を捕捉
する発泡構造のスチールからなるコレクタとを有する装
置が開示されている。
ヨーロッパ特許第0244061号公開公報には、ディーゼ
ルエンジン排ガスの燃焼可能な粒子が付着したフィルタ
を回復させる方法が記載されており、そこでは粒子の付
着したフィルタを通して電流が流され、それによってフ
ィルタが粒子の点火温度を越えて加熱される。この方法
においては、排ガス流路に挿入されたフィルタはその回
復操作の期間中は排ガスの流れから隔離され、エンジン
の排ガス系が別のバイパス流路又は別のフィルタ流路に
切り換えられるので、特別な排ガス流路の設計が必要で
ある。
発明の開示 本発明の課題は、内燃機関、特に内燃機関によって駆
動される陸上及び海上の乗り物用の内燃機関の排ガスか
ら簡単な方法で効果的に粒子を除去することができ、そ
の場合にこれら乗り物の可動性が損なわれることのな
い、冒頭で述べた種類の方法と装置を提供することであ
り、特に、粒子を除去するにあたり、内燃機関の駆動継
続中にフィルタの回復を可能とすることにある。
この課題は、本発明の方法によれば、フィルタとして
沈着電極を有する焼結金属製微細フィルタを用いると共
にフィルタ回復操作の間も該微細フィルタに排ガス流を
継続的に貫流せしめ、フィルタ回復操作期間中には微細
フィルタに電流を流すことにより微細フィルタ自体を抵
抗発熱によって粒子の点火温度以上に加熱することによ
って解決される。
本発明による方法は、微細フィルタの高い分離能力を
利用している。更に凝集によって分離が著しく容易にな
る。それにより、本発明の方法はディーゼルエンジンか
らの煤など排ガス中の粒子や滴の粒度分布の全領域に亘
って適用できる。この場合、上述の微細フィルタシステ
ムは排ガスのバイパス流路ではなく主流路に組み込まれ
ている。原理的には複数のフィルタ（異なる分離度を有
するものでもよい）をカスケード式に組み込むことがで
きる。但し、好ましくは単一の微細フィルタを使用する
のがよい。沈着電極としての対電極は微細フィルタに設
けられる。フィルタ内での純粋に機械的な分離の他に、
帯電された粒子の静電的な分離も行われる。
微細フィルタの近傍領域における排ガス温度が粒子の
点火温度を越えれば粒子の焼切りが起こり、それにより
微細フィルタの回復を果たすことができる。但し本発明
によれば、粒子の付着した微細フィルタを回復させるた
めに微細フィルタに電流が流される。その場合、微細フ
ィルタを構成する焼結金属が抵抗発熱の原理に従って加
熱又は灼熱される。このようにして粒子の点火温度（約
450から600℃）を越える微細フィルタの制御された加熱
が行われ、それによって粒子の焼切りによる微細フィル
タの回復が行われる。
好ましくは、微細フィルタを構成する焼結金属自体が
沈着電極として用いられる。それによって微細フィルタ
内へ別の沈着電極を組み込む必要性を省くことができ
る。また、フィルタの分離能力をさらに向上させること
ができる。
好ましくは微細フィルタはフェライト系焼結金属で構
成される。この材料は、極めて高い静的及び動的な機械
的安定性を有する。その耐熱性は非常に高く、例えば90
0℃にまで達する。フェライト系焼結金属はまた温度変
化に対する耐性にも優れている。使用されるフェライト
系焼結金属は化学的にも安定であって、例えばフィルタ
動作時と回復時で酸化と還元が交互に行われる雰囲気に
対して安定である。
本発明の方法においては、帯電用の電極と対電極の微
細フィルタと間には好ましくは２〜15kVの高電圧が印加
される。
フィルタの回復のためには、20秒未満の期間に亘って
300A未満の電流が20〜140Wの電力で微細フィルタに流さ
れる。このような値を維持することによって、オンボー
ド電源を有する乗り物において制御された回復操作を行
うことが可能になり、更には回復操作期間中も粒子の分
離が保証される。本発明による制御された回復操作は、
特に内燃機関を有する乗り物に対してフィルタの回復操
作に柔軟性と独立性の面で大きな利点をもたらす。とい
うのも、回復操作の時期を微細フィルタへの粒子付着の
程度に応じて選択することが可能であるからであり、ま
た本発明の方法においては点火温度を低下させるための
添加剤などの付加的な補助手段を使用する必要がなく、
しかもフィルタの回復操作のために内燃機関の動作を停
止又は変更する期間を完全に排除することができるから
である。フィルタ回復操作のための電流供給は間欠的で
あり、特に好ましくは間欠的な電流供給は周期的に行わ
れる。また、微細フィルタの粒子付着の程度に応じた電
流供給も可能であり、それは例えば排ガスの圧力損失の
計測を介して制御することができる。
本発明はまた前述の課題を解決するための粒子除去装
置も提供し、この装置は排ガス流の供給パイプ及び搬出
パイプを有するハウジングと、粒子を静電的に帯電させ
るために高電圧源に接続された少なくとも１つの電極
と、該電極の下流に位置するフィルタ本体とを備え、前
記電極及びフィルタ本体は前記ハウジング内に組み込ま
れている。特に本発明による粒子除去装置のフィルタ本
体は、全排ガス流が通過するようにハウジング内に配置
され且つ前記電極の対電極を構成するように前記高電圧
源と接続された焼結金属製微細フィルタを有し、また該
微細フィルタは、該微細フィルタ自体の抵抗発熱による
フィルタ回復操作のために導線を介して電流源に接続さ
れていることを特徴とする。
供給パイプを通してハウジング内へ導入される排ガス
流は、まず少なくとも１つの電極を通過し、この電極が
静電的に排ガス内の粒子を帯電させる。この場合の電極
の形状は任意である。但し、好ましくはディスク又はリ
ング状の電極が使用される。複数の電極を使用すること
もできる。この電極に対する対電極はフィルタ本体内に
配置される。好ましくは単一の電極が対電極と共に使用
される。フィルタ本体はハウジング内に組み込まれる
が、全排ガス流が焼結金属製微細フィルタを通過するよ
うにしなければならない。好ましくは焼結金属製微細フ
ィルタはハウジング或いは導電体を介して高電圧源と接
続される。
本発明の装置においては、微細フィルタは導線を介し
て電流源と接続される。前述したように、時々、すなわ
ち非連続的に電流が微細フィルタに流され、この電流が
微細フィルタを構成する焼結金属の固有の電気抵抗によ
るジュール熱で微細フィルタの灼熱、即ち煤粒子の点火
温度を越える加熱をもたらし、それによって粒子の焼切
りによるフィルタの回復を果たす。
好ましくは微細フィルタはフェライト系焼結金属から
形成される。更に好ましくは微細フィルタは焼結金属の
フリースから形成される。微細フィルタの幾何学的形状
は公知のフィルタ形状に従って形成することができる。
好ましくは微細フィルタは円筒形、円錐台形又は円錐形
のいずれかの形状であり、或いは円筒形、円錐台形又は
円錐形の一部を組み合わせた形状である。
以下、２つの実施例について本発明を詳細に説明す
る。
図面の簡単な説明 図１は円筒形状の微細フィルタを有する本発明の実施
例による装置を示す模式構成図である。
図２は円筒形の一部と円錐台形の一部とを組み合わせ
た形状の微細フィルタを有する本発明の別の実施例によ
る装置を示す模式構成図である。
発明を実施するための最良の形態 図１と図２において同様な部分には同一の参照符号が
付されている。排ガスの流れ方向は図では矢印で示され
ている。
図１に示す装置においては、処理すべき粒子を随伴す
る排ガス流は供給パイプ２を介して本発明による粒子除
去装置のハウジング１内へ達する。排ガス流はハウジン
グ内部でディスク形状のコロナ電極４を通過する。電極
４は導線７を介して高電圧源６と接続されている。高圧
導線７はハウジング１に対して絶縁体９によって電気的
に絶縁されている。電極４による高電圧で静電的に帯電
された粒子の一部は凝集し、この凝集した粒子と未凝集
の粒子を含む排ガス流が電極４からフィルタ本体５に達
する。フィルタ本体５は本来のフィルタ機能を果たす微
細フィルタ5aとフィルタホルダ5bから構成されている。
粒子の分離が微細フィルタ5aで実施され、粒子の除去さ
れた排ガス流が搬出パイプ３を介して粒子分離装置から
出て行く。
微細フィルタ5aにおける粒子の分離は機械的及び静電
的に行われる。この場合、微細フィルタ5aはフェライト
系焼結金属から形成され、それ自体が導電性の沈着電極
として作用する。電極４の対電極としての高電圧源６へ
の電気的接続は、同様に導電性のフィルタホルダ5bを介
してハウジング１へ、そしてハウジングから導線10を介
して高電圧源６へと接続されている。フィルタの回復操
作に必要な電流源への接続は導線11と12を介して果たさ
れ、この場合、一方の導線12は絶縁体13を介してハウジ
ング１を貫通し、図示しない電流源へ導かれている。
図２に示す実施例では、図１の場合と異なり、円筒形
状の微細フィルタ5aの代わりに、円筒部分と円錐台形部
分との組み合わせ形状を有する微細フィルタ5aがハウジ
ングに組み込まれている。また、図２においては、電極
４から高電圧源６へ至る接続導線７は、先ず電極４から
フィルタ本体５の中心を通り、その微細フィルタの円錐
台形の先端面を貫通してからハウジング１を貫通して高
電圧源６へ導かれている。高圧導線７をこのような特殊
経路で配線することによって、導線７上への粒子の堆積
とそれによってもたらされる電極４とは異なる電位のハ
ウジング１との間の弧絡が防止される。微細フィルタ5a
の先端面並びにハウジング１における高圧導線７の貫通
部に必要な電気的絶縁は、絶縁体８と９を介して行われ
る。更に図１とは異なり図２に示す粒子除去装置におい
ては、ハウジング１は供給パイプ２および搬出パイプ３
との隣接領域で斜めの円錐壁面に形成されており、それ
によってハウジングにおける排ガス流の流体貫流特性が
改良されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/02 ３４１ Ｆ０１Ｎ 3/02 ３４１Ｓ ＺＡＢ ＺＡＢ Ｂ０３Ｃ 3/14 Ｂ (72)発明者 ボルト、ハインツ ドイツ連邦共和国、デー82515 ヴェル フラートシャウゼン、シーシュスタット シュトラーセ 12ベー (72)発明者 ヴァルザー、フランツ ドイツ連邦共和国、デー82418 ムール ナウ、シュトゥッツェンプラッツ ６ (72)発明者 シェーネボルン、アクゼル ドイツ連邦共和国、デー63517 ローデ ンバッハ、アルツェナウアー・シュトラ ーセ 21 (56)参考文献 特開 平３−207461（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−138069（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−300661（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B03C 3/00 - 3/88

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関の排ガス流から粒子、特に煤粒子
    を除去する方法であって、排ガス流を少なくとも１つの
    コロナ電極とその下流に位置する少なくとも１つのフィ
    ルタに通し、排ガス流が前記電極を通過する際に粒子を
    静電的に帯電させて部分的に粒子の凝集を形成せしめ、
    凝集した粒子と未凝集の粒子とを前記フィルタによって
    排ガス流から分離する粒子除去方法において、 前記フィルタとして、前記コロナ電極（４）の対電極と
    して帯電粒子を静電的に分離するための沈着電極の作用
    を有する焼結金属製微細フィルタ（5a）を用いると共に
    フィルタ回復操作期間の間も該微細フィルタ（5a）に排
    ガス流を継続的に貫流せしめ、 フィルタ回復操作期間中に微細フィルタ（5a）に回復の
    ための電流を流すことにより該微細フィルタ（5a）自体
    を抵抗発熱によって粒子の点火温度以上に加熱すること
    を特徴とする粒子除去方法。
  2. 【請求項２】微細フィルタ（5a）を構成する焼結金属自
    体を沈着電極として用いることを特徴とする請求項１に
    記載の粒子除去方法。
  3. 【請求項３】微細フィルタ（5a）を構成する焼結金属と
    してフェライト系焼結金属を使用することを特徴とする
    請求項１又は２に記載の粒子除去方法。
  4. 【請求項４】電極（４）に２〜15kVの高電圧を印可する
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の粒
    子除去方法。
  5. 【請求項５】フィルタ回復操作のための電流として300A
    未満の電流を200〜140Wの電力で20秒未満の期間に亘り
    微細フィルタ（5a）に流すことを特徴とする請求項１〜
    ４の何れか１項に記載の粒子除去方法。
  6. 【請求項６】フィルタ回復操作のための電流を間欠的且
    つ周期的に微細フィルタ（5a）に流すことを特徴とする
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子除去方法。
  7. 【請求項７】内燃機関の排ガス流から粒子、特に煤粒子
    を除去する装置であって、排ガス流の供給パイプ（２）
    及び搬出パイプ（３）を有するハウジング（１）と、粒
    子を静電的に帯電させるために高電圧源（６）に接続さ
    れた少なくとも１つのコロナ電極（４）と、該電極の下
    流に位置するフィルタ本体（５）とを備え、前記コロナ
    電極及びフィルタ本体が前記ハウジング内に組み込まれ
    ている粒子除去装置において、 フィルタ本体（５）は、全排ガス流が通過するようにハ
    ウジング（１）内に配置され且つ前記コロナ電極（４）
    の対電極を構成するように前記高電圧源と接続された焼
    結金属製微細フィルタ（5a）を有し、該微細フィルタ
    （5a）は、該微細フィルタ自体の抵抗発熱によるフィル
    タ回復操作のために導線（11、12）を介して電流源に接
    続されていることを特徴とする粒子除去装置。
  8. 【請求項８】焼結金属製微細フィルタ（5a）がハウジン
    グ（１）を介して高電圧源（６）に接続されていること
    を特徴とする請求項７に記載の粒子除去装置。
  9. 【請求項９】微細フィルタ（5a）がフェライト系焼結金
    属からなることを特徴とする請求項７又は８に記載の粒
    子除去装置。
  10. 【請求項１０】微細フィルタ（5a）がフリースから形成
    されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１
    項に記載の粒子除去装置。
  11. 【請求項１１】微細フィルタ（5a）が円筒形、円錐台
    形、又は円錐形のいずれかの形状を有することを特徴と
    する請求項７〜10のいずれか１項に記載の粒子除去装
    置。
JP50412794A 1992-07-15 1993-07-14 内燃機関の排ガスから粒子を除去する方法と装置 Expired - Lifetime JP3409187B2 (ja)

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