JP5060577B2 - 排気ガスからすす粒子を除去するための集塵要素と構成および方法 - Google Patents

Description

この発明は、特に内燃機関の排気ガスからのすす粒子を除去する方法と、この目的に適した集塵要素、特に再生することができかつパイプたとえば自動車の排気ラインに設置することができる要素とに関連する。

ガス成分に加えて、内燃機関の排気ガスは粒子も含む。これらは望ましくないことに、排気ガスと共に環境に直接入るか、または、排気システムのどこかにしばしば堆積し、その結果、後にたとえば負荷変動の場合、粒子が一群となって排出される。

粒子を集めるために通常フィルタを用いる。しかしながら、閉じたフィルタシステムの使用は２つの重大な不利点を伴う。一方で、これらのフィルタは詰まることもあり、他方ではこれらは不必要な圧力低下を引起こす。フィルタが用いられない場合、環境に直接流れ出ないこれらの粒子は、おそらく排気ガスから他の汚染成分を浄化するために設置された触媒の被覆上に堆積し、これらは汚染につながるか、または少なくとも触媒作用による活性表面積の削減につながる。環境を守るためのますます厳しくなる法律の一環として、汚染物質および粒子の排出は、さらに削減されるべきである。粒子の除去に加えて、窒素酸化物の削減も排気ガスの浄化で重要な役割を果たす。ドイツ特許出願公開ＤＥ４２０３８０７はこの目的のための装置を開示し、その中では酸化剤が注入され排気ガスと混合される。

ドイツ特許出願公開ＤＥ４２０３８０７ 国際公開公報ＷＯ９１／０１８０７ 国際公開公報ＷＯ９１／０１１７８ 国際公開公報ＷＯ９３／２０３３９

この発明の目的は、排気ガスからすす粒子を除去するための方法を特定し、さらに排気ガスの流れにある粒子のための集塵要素を提供するものである。

これらの目的は、請求項１の特徴を有する集塵要素と請求項７の特徴に従った構成とによって達成される。さらに有利な改良点はそれぞれの従属請求項に説明されている。集塵要素の好ましい使用も与えられている。

本発明によれば、集塵要素（５）を通って流れる排気ガスからすす粒子を集めるための集塵要素（５）は流路（１３；２３）を有し、この流路を通って排気ガスは自由に流れることができるが、流路（１３；２３）は排気ガスの一部を偏向させるための偏向部（１５、１６；２５、２６）が得られるように構成されており、集塵要素（５）は尿素または尿素溶液をアンモニアに変換するための加水分解被覆が付与されている。

本発明による構成はまた、排気ガスの流れの方向において、尿素または尿素溶液を添加するための添加剤供給部と、上記の集塵要素（５）とを含んでいる。

さらに、本発明によれば、排気ガスからすすを除去して尿素で排気ガスを処理する方法では、上記の集塵要素（５）または構成が排気流れ中に設けられており、尿素が排気ガスに添加されて下流に配置された集塵要素（５）へ供給される。

内燃機関の排気システムを概略的に例示する図である。 この発明に従い、集塵要素の実施例の詳細を例示する図である。 この発明に従い、集塵要素の別の具体的な実施例の詳細を例示する図である。

たとえば、排気システムに注入された添加剤をよく分散させるために試験された国際公開公報ＷＯ９１／０１８０７またはＷＯ９１／０１１７８に説明されている種類の混合要素との試験において、驚いたことに、このような要素はすす粒子の削減にもつながり得ることが判明した。粒子は、おそらく混合要素内の流れが逸れる点で発生する渦巻によって保持されるか、または（重力分離と比較できる効果により）混合要素内の壁に対して押し流されるようになり、次に堅く付着する。起こり得る金属／すす相互作用および／または排気ガス／ダクト壁の温度勾配も粒子の付着に関与し得る。特に被覆のない金属製の壁の場合、粒子の著しい凝集も認められる。この発明は、これらの識見を利用してすす粒子が排気ガス中に存在する二酸化窒素との十分な確率での反応を保証するほど十分長くそこに保持されるような方法で集塵要素を構成する。

したがって採られる方法は、いわば強制的に、多孔質の壁等によってすす粒子を１００％濾過して取除く通常の方法ではなく、単に集塵要素中のすす粒子の滞留時間を延ばすことによってすす粒子と二酸化窒素との間の反応の確率を増やすことである。これは、それ自体が自由に通過可能な流路を維持する一方で、十分な数の渦巻誘発ゾーンおよびカームゾーンにより、および／または壁上の粒子の堆積を促進する偏向部により達成される。排気ガスの流れに伴って流れる粒子が排気ガスの他の成分と反応する可能性が殆どない一方で、粒子が渦巻誘発ゾーンで保持されるかまたは壁上に堆積される場合、そのようになる可能性は激増する。こうすると、通過するすべての二酸化窒素が反応に加わることができ、こうしてすす粒子を素早く分解できる。したがって、集塵要素は詰まるおそれなく、引続き再生される。

ダクト中の低流速のゾーンはカームゾーンと称され、そこに流体運動のないゾーンはデッドゾーンと称される。

集塵要素は流れに終端がないので、閉じたシステムとは対照的に自由に通過可能なものと称される。結果として、集塵要素は気孔がそこで塞がれる従来のフィルタシステムのように詰まることがない。というのも、これが起こる前に流れが粒子を巻きこむはずだからである。同時に、排気ガスにまだ含まれている粒子の約２％から１５％が、好ましい範囲で４％から８％が集塵要素（５）の壁（１１、１２、２１、２２）に対して当てられるような方法で各偏向部が構成されることは、特に有利である。「排気ガスにまだ含まれている粒子」という句は、粒子量が排気ガスの流れの方向に沿って、かつ排気ガスの流れの比較的頻繁な偏向によって減少するという事実を考慮に入れる。この目的のために、偏向部の数は特に、少なくとも統計的には、排気ガスの流れ全体が集塵要素の壁に対して導かれるように選択されねばならない。衝突する粒子または偏向されるべき排気ガス流の量の制限は、集塵要素全体にほんの僅かな圧力低下しか起こらないという利点を有する。

自動車の駆動システムのさまざまな（動的）荷重のケースをカバーするために、円錐状のシステムが好ましい。たとえば国際公開公報ＷＯ９３／２０３３９で説明されているこのようなシステムは幅広がりのダクトを有し、これらが適切な偏向または渦巻誘発構造を備える場合、如何なる質量流量で如何なるダクトの地点でも、粒子の収集には特に有利な状態を必然的に引起こす。

集塵要素のための好ましい材料は金属であるが、無機物（セラミック、繊維材料）、有機物または有機金属プラスチックおよび／または焼結材料でもあり得る。集塵要素の壁は、薄め塗膜および／または触媒作用による活性材料で被覆してもよいし、被覆しなくてもよい。

壁の厚さは好ましくは０．０２から０．１１ｍｍの範囲で、特に好ましくは、０．０４から０．０８ｍｍの範囲である。

集塵要素のセル密度（単位断面積あたりのダクト数）は、好ましくは１平方インチにつき２５から１０００セル（ｃｐｓｉ）の範囲であり、好ましくは２００から４００ｃｐｓｉの範囲である。

典型的な集塵要素は２００ｃｐｓｉを有し、たとえば流路において３から２０ｍｍの間隔で偏向または渦巻誘発構造を備えたディーゼル機関に関しては、１００ｋｗにつき約０．５から０．８リットルの容積および１００ｋｗにつき１から２ｍ²の幾何学的表面積を有する。

ディーゼル機関の排気ラインの場合には、約２５０℃より上の温度の二酸化窒素（ＮＯ₂）、または５００℃を越える温度の空気もしくは酸素（Ｏ₂）で熱的に、および／または添加剤（たとえばセリウム）の注入のいずれかによるすすの酸化によって再生が達成されるので、集塵要素は引続きまたは周期的に再生され得る。

たとえば連続再生トラップ（ＣＲＴ）の機構を用いるＮＯ₂によるすすの酸化は、下記のとおりであるが、
Ｃ＋２ＮＯ₂→ＣＯ₂＋２ＮＯ
十分な量のＮＯをＮＯ₂へ酸化するために、酸化触媒が排気ラインの集塵要素の上流に配置されることを必要とする。ＮＯ₂の２倍までの量、好ましくは１．２倍の量（約２．４ｍｏｌに相当する）が完全な化学量論的すす酸化に必要なので、集塵要素に注入されねばならないことが研究で示された。しかしながら、反応相手の量比率も流体の混合に大いに依存しているので、集塵要素の構成に依存して異なった量比率も用いなければならない。

さまざまな実施例の場合、集塵要素は自動車の排気ラインに設置されるときは他の多くの望ましい副作用を有することができる。たとえば、
１つの実施例に従って、集塵要素は粒子を除去する機能だけでなく、排気ガスを別の流体と混ぜ合せる機能、つまり、たとえばＳＣＲ（選択接触還元）法を用いるときのように、たとえば還元のためにディーゼル排気ガスをアンモニアまたは尿素溶液と混ぜ合せる機能も有する。この目的のために、集塵要素は少なくとも１つの添加剤供給部と組合される。

集塵要素の有利な改良点により、流体を通って流れる流れの分配も、たとえばその後の還元触媒への注入のために最適化される。１つの実施例に従って、集塵要素は上流の添加剤供給部と組合せて用いられる。

１つの実施例に従って、集塵要素は少なくとも１つの触媒と組合せて用いられる。この目的のための好適な触媒および／またはフロント（前方）触媒は特に、酸化触媒、上流または下流の加熱ディスクを備えた加熱触媒、加水分解触媒および／または還元触媒である。用いられる酸化触媒は、ＮＯ_x（窒素酸化物ガス）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化する触媒ならびに炭化水素および一酸化炭素をＣＯ₂に酸化する触媒も含む。触媒は管状または円錐状である。

集塵要素を少なくとも１つの触媒および少なくとも１つのターボ過給機と組合せるか、または集塵要素をターボ過給機と組合せることも有利である。ターボ過給機の下流の集塵要素は、エンジンの近くまたは床下の位置に配置され得る。

集塵要素は上流または下流のすすフィルタと組合せても用いられる。というのも、粒子状の排出物を確実に除去するように追加の安全防護装置を設けるだけでよいので、下流のすすフィルタは従来のすすフィルタより実質的に小さくできるからである。ディーゼル機関の１００ｋｗにつき０．５１ｍ²から１ｍ²の面積のフィルタで十分であるのに対し、集塵要素なしの場合はたとえば１００ｋｗにつき約４ｍ²のフィルタサイズが必要である。

以下の例は、自動車の排気ラインに沿って、触媒、ターボ過給機、すすフィルタおよび添加剤供給部の集塵要素との可能な限りの数の組合せを示す配置を与えるものである。

Ａ） 酸化触媒−ターボ過給機−集塵要素、集塵要素はエンジンの近くまたは床下の位置に配置され得る。

Ｂ） フロント触媒−集塵要素−ターボ過給機
Ｃ） 酸化触媒−ターボ過給機−酸化触媒／集塵要素
Ｄ） 加熱触媒−集塵要素１−集塵要素２（集塵要素１および集塵要素２は同じであっても異なるものであってもよい）
Ｅ） 集塵要素１−排気ラインの円錐状の開口部−集塵要素２
Ｆ） 添加剤供給部−集塵要素−加水分解触媒−還元触媒
Ｇ） フロント触媒−酸化触媒−添加剤供給部（すすフィルタも可能）−加水分解被覆が必要な場合、たとえば円錐状の形の集塵要素−（すすフィルタも可能）−（おそらくはチューブの断面を増やすために円錐形である）還元触媒。

実施例により、集塵要素は、各々が１つの機能を決定するさまざまな被覆を有することができる。貯蔵、混合および流れの分配機能に加えて、集塵要素はたとえば、加水分解触媒として作用することもできる。

この発明は、好ましい実施例に関して、以下にさらに詳しく説明されるだろう。

［好ましい実施例の詳細な説明］
図１は、内燃機関１、特にディーゼル機関を示し、その排気ガスは排気ライン２に供給される。排気ラインは、少なくとも１つの酸化触媒３を有し、さらにこれに先立って、排気口のごく近くに置かれるフロント触媒（図示せず）があってもよい。この区域にはターボ過給機（同様に図示せず）もあり得る。排気ラインのさらに下方に、さらに添加剤、特に尿素のための供給部４がある。この発明に従った集塵要素がこの供給部の下流に配置され、ＳＣＲ触媒がこれに続く。

図２は、この発明に従った集塵要素の具体的な実施例の詳細を示す。これは構造化されたシート金属層１１および滑らかなシート金属層１２から構成され、自由に通過可能な流路１３が得られるが、これらには構造化されたシート金属層１１の特別な構造により偏向部１５および１６が提供される。これらの偏向部は排気ガスに渦巻を与え、その結果粒子は集塵要素により長く留まり、排気ガスの他の成分とより容易に反応することができる。偏向部１５および１６の精密な構成により、これらはシート金属層１１および１２により形成された流路１３の壁に対して粒子を当てることもでき、そこでそれらは付着する。偏向部１５および１６は、たとえば２０°から９０°の開口角または入射角を有する。流れの方向に対して入射角が大きければ大きいほど、大きな偏向および渦巻が達成されるが、これは圧力損失の急激な上昇を伴う。最適角度は４０°から５０°の間であり、これは容認できる圧力損失のために良好な渦巻を与える。偏向部１５および１６は好ましくは、構造化されたシート金属層１１の開口部１７に組合され、より強力な渦を起こし、隣接した流路１３の流れを確実に混ぜ合せる。

別の具体的な実施例が、集塵要素の詳細としてのみ再び図３に例示されている。集塵要素は、構造化されたシート金属層２１およびアパチャ２８を備えた滑らかなシート金属層２２から構成され、自由に通過可能な流路２３を形成する。湾曲した開口部２７と組合された羽状の偏向部２５および２６は、上記に説明されたそれらと同じ効果をもたらす。滑らかなシート金属層２２のアパチャ２８は、渦の形成および集塵要素の排気ガスの混合を助ける。

粒子の堆積は、特に集塵要素の吸気口表面および排気口表面の領域で発生することが観察された。したがって１つの実施例では、集塵要素は直列に接続されたディスク要素として、複数の幅の狭いハニカム本体の形状で用いられる。これは各々のディスクの吸気口および排気口の領域で偏向および／または渦巻を作り出す。好ましい数は１０要素までである。

この発明は、従来のフィルタシステムにとって代わることのできるすす粒子のための集塵要素を提案し、これらのシステムと比べて重要な利点を提供する。

一方では、それは詰まることがなく、粒子が流体の流れの外側に付着するので、フィルタシステムを用いるときに比べ、その動作寿命において、システムにより引起こされる圧力低下がそれほど速く増すことはない。他方では、それはそれがオープンシステムであるので、比較的小さな圧力低下しか引起こさない。

１ 内燃機関、２ 排気ライン、３ 酸化触媒、４ 添加剤供給部、５ 集塵要素、６ 選択接触還元触媒、１１ 構造化されたシート金属層、１２ 滑らかなシート金属層、１３ 流路、１５ 偏向部、１６ 偏向部、１７ 開口部、２１ 構造化されたシート金属層、２２ 滑らかなシート金属層、２３ 流路、２５ 偏向部、２６ 偏向部
２７ 開口部、２８ アパチャ。

Claims (12)

1. 集塵要素（５）を通って流れる排気ガスからすす粒子を集めるための集塵要素（５）であって、集塵要素（５）は流路（１３；２３）を有し、この流路を通って排気ガスは自由に流れることができるが、流路（１３；２３）は排気ガスの一部を偏向させるための偏向部（１５、１６；２５、２６）が得られるように構成されており、集塵要素（５）は尿素または尿素溶液をアンモニアに変換するための加水分解被覆が付与されている、集塵要素。
2. 集塵要素（５）はシート金属層（１１、１２；２１、２２）でできた少なくとも１つの金属製のハニカム本体を含み、シート金属層（１１、１２；２１、２２）は流路（１３；２３）が得られるように公知の態様で少なくとも一部が構造化されており、前記流路（１３；２３）を通って排気ガスが自由に流れることができるが、前記流路（１３；２３）は排気ガスの一部を偏向させるための障害または偏向部（１５、１６；２５、２６）を有する、請求項１に記載の集塵要素。
3. 排気ガスの一部を偏向させるための障害または偏向部（１５、１６；２５、２６）の各々は、排気ガスにまだ含まれている粒子の２％から１５％を集塵要素（５）の壁（１１、１２、２１、２２）に対して当てるように具体化されている、請求項２に記載の集塵要素。
4. 集塵要素（５）の流路（１３；２３）の少なくともいくつかの壁（１１、１２；２１、２２）は被覆されている、請求項１から３のいずれかに記載の集塵要素。
5. 集塵要素（５）は円錐状である、請求項１から４のいずれかに記載の集塵要素。
6. 集塵要素（５）は、滞留、混合、および分配の流れ機能の少なくとも１つを付加的に有する、請求項１から５のいずれかに記載の集塵要素。
7. 排気ガスの流れの方向において、
   尿素または尿素溶液を添加するための添加剤供給部と、
   請求項１から６のいずれかの集塵要素（５）を含む、構成。
8. 加水分解触媒が集塵要素（５）の下流に与えられている、請求項７に記載の構成。
9. 還元触媒が集塵要素（５）の下流に与えられている、請求項７から８のいずれかに記載の構成。
10. 酸化触媒が前記添加剤供給部の上流に与えられている、請求項７から９に記載の構成。
11. 添加剤供給部と集塵要素との間および／または集塵要素と還元触媒との間にすすフィルタが設けられている、請求項１０に記載の構成。
12. 排気ガスからすすを除去して尿素で排気ガスを処理する方法であって、クレーム１から６のいずれかの集塵要素（５）または請求項７から１１のいずれかの構成が排気流れ中に設けられており、尿素が排気ガスに添加されて下流に配置された集塵要素（５）へ供給される、方法。

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